Летняя практика / Преобразователи напряжения / Преобразователи с накачкой заряда

жения источника и CF. Таким образом напряжение на нагрузке колеблется в небольших пределах вокруг 2$VIN, с частотой коммутации ключей.

Исторически самым известным устройством, интегрирующим сразу 2 преобразователя с накачкой заряда, был драйвер интерфейса RS232 фирмы Maxim MAX202. Первый преобразователь микросхемы удваивал напряжение питания +5 В, а второй инвертировал полученное напряжение +10 В в –10 В. И, хотя параметры этих преобразователей были невысоки: выходной ток — единицы миллиампер, а для работы необходимы 5 электролитических конденсаторов по 10 мкФ, — компактное интегральное решение MAX202 было экономически более выгодно, чем 3 отдельные микросхемы: драйвер RS232 и 2 индуктивных DC/DC-преобразователя.

В настоящее время в связи с миниатюризацией электронных компонентов и бурным развитием рынка портативных устройств с батарейным питанием все более привлекательными становятся именно преобразователи с накачкой заряда. Усилия разработчиков преобразователей, направленные на устранение главных недостатков: малой нагрузочной способности, повышенных пульсаций и отсутствия стабилизации выходного напряжения, привели к созданию ряда весьма удачных микросхем с накачкой заряда.

Проблема малой нагрузочной способности была решена с развитием технологий производства компонентов. С появлением керамических конденсаторов с низким внутренним сопротивлением и емкостью до сотни микрофарад появилась возможность переносить большие заряды на высоких частотах. Затем развитие кремниевых технологий позволило интегральным КМОП-ключам коммутировать токи в единицы ампер при низком управляющем напряжении. Благодаря этому современные преобразователи с накачкой заряда работают начиная от напряжения одного элемента (0,9–1,5 В) и обеспечивают

ток нагрузки до 300 мА, используя керамические конденсаторы емкостью 1–4,7 мкФ, переключаемые с частотой до 1 МГц.

Следующая проблема повышенных пульсаций решилась внедрением двухтактной (push-pull) схемы удвоителя напряжения (рис. 3).

Эта схема объединяет два преобразователя с накачкой заряда, работающих параллельно, но в противофазе. Пока конденсатор CF1 заряжается от источника напряжения VIN, конденсатор CF2 передает часть заряда выходному конденсатору COUT; в следующем полупериоде заряжается CF2, а разряжается CF1. Таким образом происходит непрерывная передача

энергии в нагрузку. Осциллограммы на рис. 4 иллюстрируют снижение пульсаций выходного напряжения в двухтактной схеме (В) по сравнению с однотактной схемой (А), показанной на рис. 1.

Последняя и наиболее трудная задача стабилизации выходного напряжения решается сегодня тремя способами: изменением схемы коммутации, преобразованием с пропуском импульсов и преобразованием с постоянной частотой.

Внедрению стабилизации методом изменения схемы коммутации способствовала разработка схемы умножителя напряжения с нецелым коэффициентом кратности преобразования (1,5). Развитие кремниевой технологии позволило совместить на одном кристалле умножители $1,5, $2 и $3. Стабилизация производится изменением в процессе работы, «на лету», коэффициента передачи умножителя в зависимости от изменения входного напряжения и тока нагрузки. Функциональная схема умножителя напряжения с накачкой заряда с коэффициентом преобразования 1,5 представлена на рис. 5.

Работает схема следующим образом: в фазе 1 замкнуты только ключи S3, S4, S5: при этом происходит зарядка последовательно соединенных конденсаторов CF1 и CF2 до напряжения источника VIN. Так как CF1 и CF2 имеют одинаковую емкость, то каждый из них оказывается заряженным до напряжения VIN/2. В фазе 2 ключи S3, S4, S5 размыкаются, и замыкаются ключи S1, S2, S6, S7. Конденсаторы CF1 и CF2 оказываются включенными в параллель друг с другом и последовательно с источником VIN. При этом к нагрузке оказывается приложенным напряжение 1,5$VIN.

Способ стабилизации с пропуском импульсов основан на удержании выходного напряжения в заданных пределах при помощи накачки заряда с регулируемой частотой, изменяющейся в зависимости от тока нагрузки (рис. 6).

Пока выходное напряжение VOUT остается меньше нижней границы заданного диапазона, преобразователь, использующий способ стабилизации с пропуском импульсов, работает в обычном ключевом режиме с фиксированной частотой. Но как только выходное напряжение превысит верхнюю границу, преобразователь переходит в ждущий режим и остается в этом режиме до следующего снижения выходного напряжения меньше нижней границы. График I на рис. 6 показывает моменты дискретной передачи энергии выходному конденсатору COUT при снижении напряжения. Способ стабилизации с пропуском импульсов стабилизации обеспечивает максимальный КПД преобразования благодаря ключевому режиму работы и чередованию активного и ждущего режимов.

Однако наиболее высокое качество стабилизации обеспечивает преобразование с постоянной частотой за счет аналогового способа регулирования тока заряда, передаваемого выходному конденсатору COUT (рис. 7).

Ток регулируется изменением напряжения на затворах ключей, коммутирующих конденсатор CF. КПД преобразования оказывается

вэтом случае не так высок из-за перехода

ваналоговый линейный режим стабилизации. Существует большое число приложений,

вкоторых качество стабилизации напряжения ±5…10% считается вполне приемлемым, при исключительно жестких требованиях к по-