6.8. Импульсные источники на коммутируемых конденсаторах

Дроссель импульсного стабилизатора напряжения является источником перенапряжений и электромагнитных помех, поэтому во многих случаях желательно обойтись без него. Тогда следует использовать источники на коммутируемых кон­денсаторах. Базовые схемы таких источников приведены на Рис. 6.63.

Эти схемы реализованы, в частности, в ИМСICL7660 американской фирмы Intersil (отечественный аналог — 1168ЕП1).

Микросхема включает четыре двунаправленных ключа S_x—S₄ на МОП-транзисторах, генератор тактовых импульсов и схему управления ключа­ми. К микросхеме также подключены два конденсатора. Конденсатор Q пере­носит заряд от входной цепи к выходной, а С₂ поддерживает напряжение на на­грузке во время заряда Q. Электрическую цепь из четырех ключей S1\—S₄ и конденсатора Q (в такой конфигурации, как на Рис. 6.63) можно назвать секци­ей переноса заряда.

Рассмотрим работу инвертора (Рис. 6.63а). Цикл состоит из двух тактов. В первом такте замкнуты ключи S₁ и S₃. Конденсатор С\ подключен к входу и за­ряжается от первичного источника до напряжения K_IN. Во втором такте замкну­ты ключи S₂ и S4. Конденсатор С1 отключается от входа и подключается в пере­вернутом состоянии к выходу устройства. Так он передает свой заряд на С₂ (и в нагрузку), обеспечивая на выходе напряжение, равное примерно — K_IN.

При работе в режиме удвоителя напряжения (Рис. 6.636) в первом такте кон­денсатор также заряжается до напряжения K_IN, но теперь уже через ключи S₂ и S₄. Во втором такте конденсатор Q через ключи S1 и S₃ включается последовательно и согласно с K_IN. При этом напряжение на конденсаторе С₂ устанавливается «2 U_IN.

Такой способ преобразования напряжений прост и эффективен. Для его реа­лизации достаточно трех компонентов: ИМС и двух конденсаторов. Однако вы­ходное напряжение схемы не стабилизировано и определяется величиной вход­ного напряжения. Другой недостаток таких преобразователей — «мягкие» внешние характеристики: эквивалентное выходное сопротивление преобразова­теля ICL7660 составляет величину порядка 150 Ом. Тем не менее, простейшие преобразователи на коммутируемых конденсаторах при определенных обстоя­тельствах очень удобны, например, для того, чтобы обеспечить биполярное пита­ние ОУ. Фирма Maxim выпускает несколько микросхем (МАХ200 — МАХ211 и др.) интерфейсных приемопередатчиков RC-232 с питанием от одного источника напряжением 5 В, которые содержат удвоитель и инвертор на коммутируемых конденсаторах, вырабатывающие питание ±10 В для схем передатчиков.

Существуют еще много интересных микросхем ИМС с коммутируемыми конденсаторами. Например, модернизация ICL7660 — микросхема МАХ660, имеющая выходное сопротивление всего 6.5 Ом и работающая на частоте до 80 кГц. Ее выходной ток — до 100 мА. Микросхема МАХ864 — это сдвоенный источник, который вырабатывает ±10 В (до 20 мА) от +5 В при частоте комму­тации около 200 кГц. На кристалле размещены ключи для двух переносчиков заряда, один из которых удваивает входное напряжение, а другой — инвертиру­ет положительное выходное напряжение.

В носимой аппаратуре, получающей питание от батарей, бывает очень важ­но иметь стабилизированное питание при высоком КПД, низком уровне элек­тромагнитных помех в условиях существенного изменения напряжения источ­ника (например, никель-кадмиевых аккумуляторов) при малых габаритах. Для этого почти идеально подходит ИМС МАХ619. Она содержит удвоитель и утроитель напряжения на коммутируемых конденсаторах. Система управления контролирует выходное напряжение и производит подключение и отключение секции утроения. Поскольку частота коммутации составляет 500 кГц, пульса­ции выходного напряжения не превышают 100 мВ при емкости выходного кон­денсатора 10 мкФ. Коэффициент стабилизации K_LWE = 75, выходное сопротив­ление i?o_UT= 2 Ом. Диапазон входного напряжения 2...3.6 В (два аккумулятора или гальванических элемента во всем диапазоне разряда). Выходное напряже­ние составляет 5 В при токе нагрузки до 50 мА. КПД при 3 В входного напряже­ния достигает 80%. Преобразователь включает 4 внешних конденсатора и зани­мает с ними на плате площадь всего 0.6 см².

Сравнительно недавно фирма Texas Instruments начала выпускать семейство стабилизированных преобразователей на коммутируемых конденсаторах TPS601xx, имеющих пониженный уровень пульсаций выходного напряжения. Каждый из этих преобразователей имеет две секции переноса заряда (Рис. 6,64).