Повышающий DC-DC преобразователь на КМОП инверторах
Схема эффективного бестрансфоматорного удвоителя (утроителя) напряжения, построенная на элементах стандартной КМОП логики
На данной странице познакомимся с одной из публикаций специалиста в области аналоговых технологий – американского разработчика Стивена
Вудварда.
Статья, вышедшая 04.03.2024 в журнале EDN под названием «Efficient voltage doubler is made from generic CMOS inverters»,
содержит подробное описание бестрансфоматорного удвоителя напряжения, построенного на КМОП-вентилях.
Процитируем и мы её основные положения:
Эффективный удвоитель напряжения на основе стандартных КМОП инверторов
Когда в конструкции требуются вспомогательные шины напряжения питания с повышенным напряжением, а соответствующие токовые нагрузки невелики,
умножители напряжения с конденсаторной накачкой зачастую являются самым простым, дешёвым и эффективным способом их создания.
Простейшим из них является диодный удвоитель напряжения. Он состоит всего из двух диодов и двух конденсаторов, но имеет присущие ему недостатки, связанные
с необходимостью иметь отдельный источник прямоугольных импульсов, а также с тем, что выходное напряжение меньше удвоенного напряжения шины питания,
как минимум, на два падения напряжения на диодах. Для того чтобы избежать этой неэффективности и точно удвоить напряжение питания,
требуются активные коммутаторы, осуществляющие накачку конденсаторов, построенные (как правило) на комплементарных полевых транзисторах.
Специализированные КМОП микросхемы удвоителей напряжения присутствуют в продаже – примером может служить MAX1682. Эта микросхема хорошо работает
в устройствах, в которых токи нагрузки не слишком велики, но имеет недостаток в виде довольно высокой цены. В связи с этим возникает соблазн посмотреть,
сможем ли мы сделать удвоитель как минимум не хуже, а может быть и лучше, учитывая, что стандартные микросхемы КМОП-логики стоят копейки.
План действий начнём с Рис.1, на котором показана упрощенная схема логического КМОП инвертора.
Рис.1 Упрощенная схема КМОП логического элемента с ограничительными диодами и парой переключателей на полевых транзисторах
Обратите внимание на входные и выходные ограничительные диоды. Они устанавливаются производителем главным образом для защиты микросхемы от электростатики, но
диод есть диод, и он может выполнять и другие полезные функции. В свою очередь, p-канальный полевой
транзистор предназначен для подключения выхода к V+ шине при выводе логической единицы, а работающий в паре с ним n-канальный – для подключения
выхода к V- шине при выводе нуля. Но комплементарные МОП-транзисторы во включенном состоянии охотно проводят ток в любом направлении.
Таким образом, ток, идущий от выхода к шине, работает так же хорошо, как и от шины к выходу.
На Рис.2 показано, как эти основные функции элементов КМОП связаны с накачкой заряда и умножением напряжения.
Рис.2 Упрощенная схема удвоителя напряжения, состоящего из драйвера (U1), коммутатора (U2), а также конденсаторов связи (CC), накачки (CP)
и фильтра (CF)
Рассмотрим первый полупериод прямоугольного импульса (Рис.1), соответствующий состоянию «лог. 1». Оба n-канальных транзистора элементов U1 и U2
открываются, соединяя с шиной V+ верхний вывод конденсатора Cр (подключённый к U2), и с землей – нижний вывод (подключенный к U1), заряжая Cp до V+.
Теперь рассмотрим, что происходит в то время, когда управляющий сигнал перейдёт в состояние «лог. 0».
P-канальные полевые транзисторы открываются, а n-канальные закрываются. Нижний вывод конденсатора Cp подключается к V+, соответственно, на верхнем
выводе Cp (учитывая его заряд в предыдущем цикле до V+) образуется потенциал 2V+, который через открытый р-канальный транзистор U2 перетекает
в конденсатор CF, завершая цикл накачки.
Этот цикл повторится при следующем изменении уровня управляющего сигнала, и так далее, и так далее.
Во время запуска, пока на CF не накопится достаточное напряжение для нормальной работы внутренних цепей U2, ограничительные диоды элемента
U2 служат для выпрямления сигнала управления Cp и начала зарядки CF до тех пор, пока полевые транзисторы не смогут взять на себя управление.
Вот и вся теория. Превращение Рисунка 2 в полноценный удвоитель напряжения показано на Рис.3.
Рис.3 Схема удвоителя напряжения: генератор накачки 100 кГц (частота определяется R1C1), драйвер (U1) и коммутатор (U2)
С вывода 2 триггера Шмитта 74AC14 (U1) на схему удвоителя поступает тактовый сигнал накачки 100 кГц.
Этот сигнал подается на пять оставшихся логических элементов U1 и шесть логических элементов U2 (через разделительный конденсатор C2).
Положительный заряд переносится через конденсатор C3 в U2 и накапливается в конденсаторе фильтра C5.
Несмотря на то, что для U2 функция гистерезиса Шмитта на самом деле не нужна, для повышения КПД используется такая же микросхема AC14, обеспечивающая
синхронность переноса заряда.
Некоторые характеристики (V+ = 5 В):
— Выходное сопротивление 10 В: 8.5 Ом;
— Максимальный непрерывный ток нагрузки: 50 мА;
— КПД при токе нагрузки 50 мА: 92%;
— КПД при токе нагрузки 25 мА: 95%;
— Мощность, потребляемая без нагрузки: 440 мкВт;
— Время запуска: меньше 1 мс.
А что же делать, если простого удвоения напряжения V+ окажется недостаточно? Как показано на Рис.4, эта схема может быть легко каскадирована
для создания эффективного утроителя напряжения.
Рис.4 Достаточно использовать три недорогих компонента, чтобы получить утроитель напряжение питания
Возможно также дополнительное увеличение количества каскадов для получения более высоких коэффициентов умножения.
Литература:
1. Журнал EDN,
Stephen Woodward - Efficient voltage doubler is made from generic CMOS inverters
2. Журнал «РадиоЛоцман»,
Эффективный удвоитель напряжения на основе КМОП инверторов
|
