Преобразователи на коммутируемых конденсаторах

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. 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.

Принцип работы преобразователей постоянного напряжения на коммутируемых конденсаторах иллюстрируется функциональной схемой, приведенной на рис.5.

Рис. 5.

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 V_OUT микросхемы напряжение -V⁺. Соединения, показанные на рис.5 пунктиром, могут присутствовать в некоторых конкретных моделях преобразователей.

Энергия, передаваемая конденсатором С1 за один цикл, определяется с помощью выражения

где V₁ (V₂) - напряжение на конденсаторе С1 в конце первой (второй) половины цикла.

Одним из основных показателей преобразователя является коэффициент преобразования

(2)

где U_вых - напряжение на выходе преобразователя при токе нагрузки, равном i; U_вых.ид. - напряжение на выходе идеального преобразователя (для инвертора U_вых.ид.=-U_вх).

Из выражения (2) видно, что высокое значение коэффициента преобразования достигается при U_вых(i) = U_вых.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

где Р_вых - мощность, отдаваемая в нагрузку; Р_вх - 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 и величины C1 в соответствии со значениями рабочих напряжений и потребляемых токов.

Рассмотрим принцип работы преобразователя на примере распространенной микросхемы IСL7660/MAX1044 с расширенными функциональными возможностями. Структурная схема микросхемы ICL7660 приведена на рис.6.

Рис. 6.

Схема содержит четыре силовых МОП ключа, управляемых логическими элементами и схемой смещения уровня напряжения. Ключи управляются выходным напряжением триггера (÷2). Это позволяет формировать управляющие импульсы, в которых пауза точно равна длительности импульсов. Рабочая частота задающего RC генератора без внешних элементов составляет 10 кГц. Внутренний преобразователь напряжения (INTERNAL VOLTAGE REGULATOR) необходим для обеспечения работы микросхемы от источников питания с малым напряжением.

В качестве примера можно рассмотреть характеристики и применение микросхемы IСL7660. Простейшее включение ее может выполняться по схеме, приведенной на рис.7.

Рис. 7.

Таблица 1. Краткие электрические характеристики микросхемы при V⁺=5B, С_OSC=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.8 - 12.

 

Рис. 8. Рис. 9.

 

Рис. 10. Рис. 11.

Рис. 12.

Приведенные зависимости позволяют уточнить параметры преобразователя для конкретных значений рабочих напряжений и потребляемых токов.

Рассмотрим типовые схемы включения микросхемы ICL7660.