Объявление

Свернуть
Пока нет объявлений.

Преобразователи постоянного напряжения на коммутируемых конденсаторах

Свернуть
X
Свернуть

  • Преобразователи постоянного напряжения на коммутируемых конденсаторах

    Журнал «Chip News» №3 2002 г.
    Д. Онышко
    При конструировании электронных устройств часто требуется источник питания с различными значениями выходного напряжения. Широкое применение в современных устройствах находят преобразователи постоянного напряжения на переключающихся конденсаторах, позволяющие вырабатывать требуемые напряжения от одного источника питания. В статье рассматриваются принципы работы таких преобразователей, их технические характеристики и варианты применения.
    Рассмотрим принцип работы преобразователя на примере широко распространенной микросхемы IСL7660/MAX1044 с расширенными функциональными возможностями. Микросхема МАХ1044 отличается от IСL7660 наличием входа Boost (увеличение частоты внутреннего генератора). Структурная схема микросхемы ICL7660 приведена на рис.1.

    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	maxim_switch001.gif 
Просмотров:	1 
Размер:	8.6 Кб 
ID:	1615>
    Рис. 1.
    Схема содержит четыре силовых МОП ключа, управляемых логическими элементами и сдвигателем уровня напряжения, работа которых осуществляется на частоте, полученной в результате деления на два частоты задающего RC генератора. Это позволяет формировать управляющие импульсы с требуемыми характеристиками «меандр» и оптимизировать по потреблению работу задающего RC генератора, рабочая частота которого без внешних элементов составляет 10 кГц. Внутренний регулятор напряжения необходим для обеспечения работы микросхемы от источника с пониженным напряжением.
    Принцип работы микросхемы в режиме идеального инвертора напряжения рассмотрим по функциональной схеме, приведенной на рис.2.

    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	maxim_switch002.gif 
Просмотров:	1 
Размер:	5.1 Кб 
ID:	1616>
    Рис. 2.
    При замыкании ключей S1 и S3 и размыкании ключей S2 и S4 во время первой половины цикла внешний конденсатор С1 заряжается от источника питания до напряжения V+, а при замыкании ключей S2 и S4 и размыкании ключей S1 и S3 во время второй половины цикла конденсатор С1 передает частично свой заряд внешнему конденсатору С2, обеспечивая на выводе VOUT микросхемы напряжение -V+. Указанные значения напряжения соответствуют установившемуся режиму.
    Энергия, передаваемая конденсатором С1 за один цикл, определяется с помощью выражения
    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	maxim_switch101.gif 
Просмотров:	1 
Размер:	332 байт 
ID:	1617>(1)
    где V1 (V2) - напряжение на конденсаторе С1 в конце первой (второй) половины цикла.
    Одним из основных показателей преобразователя является коэффициент преобразования
    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	maxim_switch102.gif 
Просмотров:	1 
Размер:	350 байт 
ID:	1618>(2)
    где Uвых - напряжение на выходе преобразователя при токе нагрузки, равном i; Uвых.ид. - напряжение на выходе идеального преобразователя (для инвертора Uвых.ид.=-Uвх).
    Из выражения (2) видно, что высокое значение коэффициента преобразования достигается при Uвых(i) = Uвых.ид., т.е. при V1 = V2. Однако, как видно из выражения (1), в этом случае снижается переносимая конденсатором С1 энергия, что затрудняет обеспечение высокого значения коэффициента преобразования. Повышение переносимой конденсатором энергии возможно при увеличении емкости С1 или рабочей частоты. В первом случае возрастают габариты конденсатора и, следовательно, габариты преобразователя. Во втором случае возрастают потери энергии в реальном устройстве, что снижает его коэффициент полезного действия
    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	maxim_switch103.gif 
Просмотров:	1 
Размер:	241 байт 
ID:	1619>
    где Рвых - мощность, отдаваемая в нагрузку; Рвх - мощность, потребляемая от источника питания.
    Из проведенного анализа видно, что при разработке конкретного устройства преобразования необходима оптимизация значений рабочей частоты и емкости конденсатора С1. Для этого необходимо предусмотреть возможность изменения рабочей частоты в соответствии со значениями рабочих напряжений и потребляемых токов.
    Рассмотрим электрические характеристики микросхемы IСL7660, включенной по тестовой схеме, приведенной на рис.3.

    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	maxim_switch003.gif 
Просмотров:	1 
Размер:	8.6 Кб 
ID:	1620>
    Рис. 3.
    Таблица 1. Краткие электрические характеристики микросхемы при V+=5B, СOSC=0
    Параметр Условие измерения Мин Тип Мах
    Ток потребления, мкА RL = беск. 30 250
    Напряжение питания, В RL = 10К, LV - открыт
    RL = 10К, LV=0В
    3
    1,5
    10
    3,5
    Частота переключения, кГц 10
    КПД, % RL = 5К 95 98
    Эффективность преобразования, % RL = беск. 97 99,9
    Типовые зависимости электрических характеристик микросхемы IСL7660 приведены на рис.4-8.

    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	maxim_switch004.gif 
Просмотров:	1 
Размер:	7.1 Кб 
ID:	1621>
    Рис. 4.
    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	maxim_switch005.gif 
Просмотров:	1 
Размер:	5.1 Кб 
ID:	1622>
    Рис. 5.
    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	maxim_switch006.gif 
Просмотров:	1 
Размер:	6.5 Кб 
ID:	1623>
    Рис. 6.
    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	maxim_switch007.gif 
Просмотров:	1 
Размер:	5.1 Кб 
ID:	1624>
    Рис. 7.
    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	maxim_switch008.gif 
Просмотров:	1 
Размер:	12.4 Кб 
ID:	1625>
    Рис. 8.
    Приведенные зависимости позволяют уточнить параметры преобразователя для конкретных значений рабочих напряжений и потребляемых токов.
    Рассмотрим типовые схемы включения микросхемы ICL7660.
    Инвертор напряжения
    Схема включения микросхемы в режиме инвертора напряжения приведена на рис.9.

    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	maxim_switch009.gif 
Просмотров:	1 
Размер:	4.0 Кб 
ID:	1626>
    Рис. 9.
    Инвертор обеспечивает получение на выходе VOUT напряжения, равного -V+ в диапазоне 1,5В <= V+ <= 10В. В реальных условиях параметры инвертора отличаются от идеальных. Так, в соответствии с рис.4 при V+=8В, выходном токе, равном 50 мА, VOUT =-6В. Снижение выходного напряжения определяется выходным сопротивлением микросхемы Rвых, которое для рассмотренного выше случая составляет 60 Ом (рис.7).
    Выходное сопротивление микросхемы зависит от режима по постоянному току и от реактивного сопротивления конденсатора С1.
    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	maxim_switch104.gif 
Просмотров:	1 
Размер:	233 байт 
ID:	1627>(3)
    Так, для номинала С1=10мкф и частоты f=10кГц XC=3,18 Ом. Для исключения влияния конденсатора С1 на выходное сопротивление необходимо, чтобы ХС<вых.
    Для эксплуатации микросхемы в диапазоне 1,5В <= V+ <= 3,5В необходимо вывод LV (6) микросхемы соединить с общим проводом (на рис.9 показано пунктирной линией).
    Снижение выходного сопротивления
    Для снижения выходного сопротивления можно применить параллельное включение микросхем, которое показано на рис.10.

    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	maxim_switch010.gif 
Просмотров:	1 
Размер:	4.4 Кб 
ID:	1628>
    Рис. 10.
    Выходное сопротивление такой схемы зависит от числа параллельно включенных микросхем n и определяется с помощью выражения.
    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	maxim_switch105.gif 
Просмотров:	1 
Размер:	223 байт 
ID:	1629>(4)
    Из рисунка видно, что конденсатор С1 является индивидуальным для каждой микросхемы, а конденсатор С2 - общий. Рассмотренное включение микросхем позволяет повысить выходной ток, коэффициент преобразования и коэффициент полезного действия преобразователя.
    Каскадное включение микросхем
    Для повышения выходного напряжения можно применять каскадное включение микросхем, показанное на рис.11.

    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	maxim_switch011.gif 
Просмотров:	1 
Размер:	4.0 Кб 
ID:	1630>
    Рис. 11.
    Выходное напряжение такого преобразователя равно -nV+. Учитывая допустимый диапазон 1,5В <= V+ <= 10В число каскадно соединенных микросхем не должно превышать 6.
    Удвоители напряжения
    Для получения положительного напряжения от источника отрицательного напряжения, а также удвоения напряжения применяется включение микросхемы, показанное на рис.12.

    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	maxim_switch012.gif 
Просмотров:	1 
Размер:	5.1 Кб 
ID:	1631>
    Рис. 12.
    На выводах 8 и 3 вырабатывается напряжение VOUT=-V-,а на выводах 8 и 5 VOUT=-2V-. Диод необходим для обеспечения начального этапа работы микросхемы. В ряде случае удобно использовать схему включения, показанную на рис.13.

    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	maxim_switch013.gif 
Просмотров:	1 
Размер:	4.8 Кб 
ID:	1632>
    Рис. 13.
    Выходное напряжение такого преобразователя равно 2V+-2VF, где VF - падение напряжения на диоде в прямом направлении (для кремневых диодов VF=0,5-0,7B).
    Делители напряжения
    С помощью микросхемы ICL7660 можно получить умощненный делитель напряжения при включении ее, как показано рис.14.

    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	maxim_switch014.gif 
Просмотров:	1 
Размер:	7.5 Кб 
ID:	1633>
    Рис. 14.
    Комбинированные источники напряжения
    Микросхема ICL7660 позволяет получать напряжения с различными номиналами. Один из вариантов включения показан на рис.15.

    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	maxim_switch015.gif 
Просмотров:	1 
Размер:	6.3 Кб 
ID:	1634>
    Рис. 15.
    В преобразователе напряжения, показанном на рисунке, формируются напряжения -(V+-VF) и 2V+-2VF.
    Работа в буферном режиме
    Как видно из рассмотренного выше материала преобразователи с коммутируемыми конденсаторами обладают обратимыми свойствами. Это позволяет реализовывать буферный режим их функционирования, один из вариантов которых показан на рис.16.

    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	maxim_switch016.gif 
Просмотров:	1 
Размер:	4.2 Кб 
ID:	1635>
    Рис. 16.
    Питание устройства осуществляется от источника VIN, который обеспечивает напряжение VOUT (5-ый вывод n-ой микросхемы) и V+ (8-ой вывод первой микросхемы) - напряжение подзаряда аккумулятора. При пропадании питающего напряжения или отключении источника питания напряжение VOUT будет вырабатываться из напряжения аккумулятора V+.
    Изменение частоты генератора ICL7660
    Параметры рассмотренных преобразователей зависят от частоты генератора микросхемы. Зависимость коэффициента полезного действия от частоты показана на рис.6.
    Из рисунка видно, что при выходном токе 1мА высокий КПД обеспечивается на частотах, меньших 1 кГц. На более высоких частотах потери в цепях генератора и управления силовыми ключами снижает общий КПД. Для достижения высокого КПД в данном конкретном случае необходимо уменьшить рабочую частоту преобразователя. Рабочую частоту можно уменьшать с помощью внешнего генератора или подключением COSC, как показано на рис.3.
    Более простым является способ, использующий внешний конденсатор, емкость которого можно определить из графика, показанного на рис.8.
    Для рассмотренного выше случая рабочая частота, равная 1кГц, достигается подключением внешнего конденсатора емкостью СOSC=100пф. При применении этого способа необходимо учитывать, что при СOSC, большей чем 1000пф, емкость конденсаторов С1 и С2 необходимо увеличить до 100 мкф.
    Рассмотренный способ изменения частоты генератора применяется в микромощных устройствах для обеспечения высокого коэффициента полезного действия преобразователя.
    В ряде случаев рабочую частоту преобразователя необходимо увеличивать. В этих случаях можно применять С1 и С2 меньшей емкости и, следовательно, с меньшими габаритами. Кроме того, при этом снижаются уровни помех от генератора в аудиосистемах. Наиболее просто увеличение частоты достигается с помощью вывода Boost микросхемы MAX1044. При замыкании ключа S1 (рис.3) рабочая частота микросхемы возрастает в 6 раз.
    Режим пониженного энергопотребления
    При работе в дежурном режиме необходимо снижать потребляемую преобразователем мощность. Некоторые микросхемы имеют вход SD, с помощью которого можно снижать потребляемый ток до единиц микроампер. Режим пониженного энергопотребления можно реализовать также с помощью входа OSC. Варианты реализации этого режима при использовании обычных логических элементов, логических элементов с открытым стоком (коллектором), а также имеющих третье состояние показаны на рис.17.

    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	maxim_switch017.gif 
Просмотров:	1 
Размер:	11.5 Кб 
ID:	1636>
    Рис. 17.
    Микросхемы преобразователей напряжения на коммутируемых конденсаторах выпускаются рядом фирм: Maxim, National Semiconductor, Microchip и др. Эти микросхемы имеют одинаковый принцип действия и отличаются реализуемыми функциями, электрическими параметрами и конструктивным исполнением. Несомненным лидером в этой области является фирма Maxim, которая выпускает наиболее широкую номенклатуру микросхем преобразователей. В таблице 2 приведены характеристики некоторых из микросхем, выпускаемых различными фирмами.
    Таблица 2. Краткие характеристики микросхем.
    Тип микросхемы Реализованные функции Выходной ток (мА) Входное напряжение VIN (В) Частота (кГц) Ток потребления (мкА) Примечание
    ICL7660
    TC7660
    LMC7660
    -(VIN) или
    2(VIN) или ½(VIN)
    20 1,5÷10 10 250
    MAX889 (-2,5В) (-VIN) 200 2,7÷5,5 2000 50000 Встроенная функция Shutdown
    MAX1680
    MAX1681
    -(VIN) или 2(VIN) 125 2÷5,5 125÷200
    500÷1000
    30000
    MAX680 2(VIN) и -2(VIN) 10 2÷6 8 1000
    MAX681 2(VIN) и -2(VIN) 10 2÷6 8 1000 Без внешних конденсаторов
    MAX1673 125 2÷5,5 350 16000
    LM3350 3/2(VIN) или
    2/3(VIN)
    50 1,5÷5,5 1600
    LM3352 2,5В; 3В или 3,3В 200 2,5÷5,5 1000
    MAX870 -(VIN) или
    2(VIN) или ½(VIN)
    50 1,6÷5,5 56÷194 1000
    MAX864 2(VIN) и -2(VIN) 100 1,75÷6 7÷185 5000 Встроенная функция Shutdown
    Примечание: микросхемы MAX, ICL - фирмы MAXIM; LM, LMC - National Semiconductor; TC - Microchip.
    Из таблицы видно, что преобразователи на коммутируемых конденсаторах могут работать в режимах инвертора, удвоителя, делителя входного напряжения на два, позволяют формировать на выходе одновременно несколько напряжений. Некоторые микросхемы имеют встроенные стабилизаторы напряжения. Рассмотренные микросхемы находят широкое применение в ноутбуках, мобильных телефонах, пейджерах, переносных приборах и других устройствах. В радиолюбительской практике они могут применяться, например, для формирования разнополярных напряжений питания операционных усилителей, реализации буферного питания электронных устройств от одного аккумуляторного элемента, формирования напряжения питания ЖКИ и др. Малые габариты, высокие коэффициент преобразования и коэффициент полезного действия, отсутствие индуктивностей, обратимые свойства являются весьма привлекательными для применения рассмотренных преобразователей при разработке различных электронных устройств.
    Литература
    1. Maxim full-line CD-Catalog Version 5.0 2001 Edition.
    2. National Analog and interface products databook, 2001 Edition.

    Источник: rtcs.ru
      Возможность размещать комментарии к сообщениям отключена.

    Метки статей

    Свернуть

    Меток пока нет.

    Новые статьи

    Свернуть

    • Элементы хорошего питания
      admin
      Без источника питания невозможна работа любого электронного устройства. Более того, от правильного выбора источника питания во многом зависят качество и надежность работы современного оборудования. Поэтому проблема правильного выбора источника питания, особенно в портативных устройствах, весьма актуальна для большинства из нас.
      Опыт работы сервисных центров показывает, что значительная часть вопросов, возникающих у заказчиков по поводу использования портативных радиостанций, связана с проблемами выбора аккумуляторов и рекомендаций по их правильной эксплуатации. Среди наиболее часто задаваемых вопросов – срок жизни аккумулятора, температурный диапазон работы, режимы зарядки, природа так называемого «эффекта памяти» и т. д.

      Введение

      ...
      08.02.2017, 22:55
    • Что стоит за цифровыми счетчиками электроэнергии
      admin
      Ещё несколько лет назад контроль потребления и сбережение электроэнергии не были столь актуальны. Всех вполне устраивали цены на электроэнергию и соответствующая система её учёта на базе электромеханических (индукционных) счётчиков. Принцип их работы основан на подсчёте количества оборотов диска, вращающегося в бегущем магнитном...
      08.02.2017, 22:55
    • Цифровые счетчики электрической энергии
      admin
      До недавнего времени проблема, связанная с измерением расхода электроэнергии, сводилась к применению электромеханических счётчиков, принцип работы которых основан на подсчёте количества оборотов металического диска, вращающегося в бегущем магнитном поле, которое, в свою очередь, создаётся двумя электромагнитами. Магнитный поток первого должен быть пропорционален току, текущему через нагрузку, а поток второго — напряжению. При этом частота вращения диска линейно пропорциональна мощности, а количество...
      08.02.2017, 22:55
    • Трансформаторы и электроника низковольтных галогенных ламп
      admin
      Галогенные лампы низкого напряжения (6/12 В) должны включаться только в схемы с соответствующими трансформаторами. Последовательное включение и другие варианты не допускаются! Традиционные (электромагнитные) трансформаторы предельно просты в устройстве и конструкции. Они ничем не отличаются от при...
      08.02.2017, 22:55
    • Транзисторные сглаживающие фильтры
      admin
      ...
      08.02.2017, 22:55
    • Технические характеристики регулируемого линейного стабилизатора 142ЕН22
      admin
      ...
      08.02.2017, 22:54
    Обработка...
    X