Мультиплексорные конденсаторные преобразователи напряжения на микросхемах

June 14, 2010 by admin Комментировать »

Особое направление в технике преобразования напряже­ния составляют мультиплексорные преобразователи. Принцип их действия основан на использовании КМОП- или иных мультип­лексоров — полупроводниковых переключаемых ключей. Для преобразования напряжения одного уровня или знака в напряже­ние другого уровня или знака накопительный конденсатор или их группу путем переключений заряжают от источника питания, а в следующий рабочий цикл подключают к нагрузке в той или иной полярности и последовательности.

Такие преобразователи обеспечивают электрическую изо­ляцию, обусловленную гарантированной заводом-производите­лем величиной, иногда до 10^° Ом. Одновременно может быть получено неограниченное количество гальванически развязанных источников напряжения, которые можно соединять последова­тельно или параллельно. Преобразователи имеют малые габари­ты и собственное энергопотребление, не требуют использования выпрямителей.

Недостатками мультиплексорных преобразователей являет­ся низкая нагрузочная способность, невысокие выходные напря­жения. Потери при преобразовании определяются электрическим сопротивлением открытых ключей (50… 150 Ом — для отечест­венных микросхем).

На рис. 3.1 показана одна из первых схем мультиплексорно-го преобразователя напряжения [3.1]. На вход мультиплексора по­ступают импульсы управляющих сигналов прямоугольной формы частотой 8…12 кГц. Как следует из анализа работы схемы, кон­денсатор С1 при помощи ключей мультиплексора по очереди подключается вначале к источнику питания, затем — к сопроти­влению нагрузки, меняя при этом полярность выходного нап­ряжения. КПД устройства при сопротивлении нагрузки 1 кОм составляет 80% и с увеличением этого сопротивления до 5 кОм

возрастает до 95%. При напряжении питания преобразователя 8 Б и сопротивлении нагрузки 1 кОм амплитуда пульсаций на на­грузке не превышает 30 мВ.

clip_image002

Рис. 3.1.

Схема мультиплексорного преобразователя напряже­ния с инвертированием

clip_image004

Рис. 3.2. Нагрузочные характеристики преобразователя (рис. 3.1)

Нагрузочные характеристики преобразователя (рис. 3.1) по­казаны на рис. 3.2.

Преобразователи напряжения (рис. 3.3, 3.4) предназначены для получения двух электрически развязанных от источника пита­ния напряжений Е1 и Е2 [3.2].

Устройства содержат генератор и/или формирователь уп-равляюще-коммутирующих импульсов, а также электронный ком­мутатор на основе /СМО/7-мультиплексора.

На микросхеме DDI типа К176ИЕ12 {р\лс. 3.3) выполнен гене­ратор-формирователь управляющих импульсов. Рабочая частота

clip_image006

Рис. 3.3. Электрическая схема преобразователя с внутренним тактовым генератором

генератора определяется параметрами навесных RC-элементов. С выходов Т1 —Т4 микросхемы DD1 снимается последовательность сдвинутых на 90° импульсов с частотой порядка 2,5 кГц. На диодах VD1 —VD4 выполнен формирователь-сумматор управляющих им­пульсов, которые поступают на управляющие входы (А и В) микро­схемы-мультиплексора DA1 ттаК561КП1.

В преобразователе по другой схеме (рис. 3.4) тактовые им­пульсы частотой около 100 кГц, необходимые для работы счетчи­ков микросхемы DDI типа К561ИЕ9, подаются на ее управляющий вход от внешнего генератора. Для формирования последователь­ности управляющих сигналов, поступающих на вход микросхе­мы-мультиплексора DA1, использованы диоды VD1 —VD8.

При подаче на управляющие входы А и В микросхемы DA1 управляющих сигналов происходит последовательное под­ключение накопительного электролитического конденсатора С4 на рис. 3.3 (СЗ на рис. 3.4) к источнику питания, затем к цепи формирования выходного напряжения Е1, а затем снова к ис­точнику питания и далее — к цепи формирования выходного на­пряжения Е2 и т.д.

clip_image008

Рис. 3.4. Электрическая схема преобразователя с внешним так­товым генератором

clip_image010

Рис. 3.5.

Нагрузочные характеристики преобразователей

Нагрузочные характеристики каждого из источников сфор­мированных таким образом напряжений Е1 и Е2 идентичны и строго линейны (рис. 3.5). Эти выходы электрически изолированы от источника питания преобразователя (паспортное значение со­противления изоляции — 10 ^ Ом). Напряжение холостого хода на выходах преобразователя практически совпадает с напряжением питания устройства. Преобразователь не боится коротких замы­каний по цепям нагрузки.

Для аварийного питания электронных устройств от резерв­ного источника при пропадании напряжения в сети предназначено устройство по схеме на рис. 3.6 [3.3, 3.4].

clip_image012

Рис. 3.6. Схема обратимого преобразователя напряжения

Преобразователь содержит резервную аккумуляторную ба­тарею GB1, задающий генератор на элементах DD1.1 — DD1.3, двухразрядный счетчик на D-триггерах DD2.1, DD2.2, двойной че-тырехканальный мультиплексор DA1 и емкостный накопитель-де­литель на конденсаторах С2 — С5.

При наличии напряжения в бортовой сети устройство рабо­тает в режиме деления ее напряжения и подзарядки батареи GB1. Буферный режим обеспечен двунаправленным мультиплексором DA1, который поочередно подключает батарею параллельно од­ному из конденсаторов С2 — С5 емкостного делителя напряже­ния. В результате батарея заряжается до напряжения, равного четверти напряжения бортовой сети.

После пропадания напряжения в сети преобразователь авто­матически переходит в режим умножения напряжения резервной батареи. В этом режиме конденсаторы С2 — С5 через мультиплек­сор DA1 последовательно заряжаются от батареи GB1, а поскольку они соединены последовательно, на выходе устройства создается напряжение, равное учетверенному напряжению батареи, которое питает не только обслуживаемое электронное устройство, но и микросхемы самого преобразователя.

Сигналы управления мультиплексором поступают с выходов микросхемы DD2, на вход которой приходят тактовые импульсы с частотой следования около 5 кГц с генератора импульсов DD1. Поскольку в режиме умножения напряжения узлы преобразовате­ля питаются его выходным напряжением, для первоначального запуска необходимо кратковременно вручную подать в цепь пита­ния напряжение бортовой сети. После самовозбуждения генера­тора преобразователь работает от батареи GB1.

Если устройство предполагается использовать в качестве резервного источника питания электронных часов, генератор на элементах микросхемы DD1 может и не понадобиться: его вполне можно заменить задающим генератором часов. Это позволит сни­зить потребляемый преобразователем ток до 10…20 мкА.

При использовании в батарее GB1 трех соединенных после­довательно аккумуляторов Д-0,25 выходное напряжение преобра­зователя на нагрузке сопротивлением 68 кОм (ток нагрузки — 150 мкА) равно 10,1 Б, а в режиме холостого хода — 10,8 В.

При установке устройства в автомобиле для аварийного пи­тания часов на микросхемах серии К561 допускается подключе­ние его к бортовой сети напряжением 12 В через развязывающий диод, предотвращающий перегрузку преобразователя.

Напряжение резервной батареи не должно превышать 4 В, иначе амплитуда выходного (умноженного) напряжения превьюит максимально допустимое напряжение входных сигналов для мик­росхем серии К561, что приведет к выходу их из строя.

Отсутствие в преобразователе развязывающих диодов и транзисторных ключей обеспечивает КПД, достигающий 80…90%.

Специализированные микросхемы, принцип работы кото­рых основан на переключении конденсаторов, позволяют создать исключительно простые и эффективные преобразователи напря­жения [3.5]. На рис. 3.7 показано использование управляемых ключей и переключаемого конденсатора С1 для получения ин­версного напряжения. При подаче на вход устройства управляю­щего сигнала прямоугольной формы (или формирования такого сигнала прямо в самой микросхеме для максимального упроще­ния преобразователя) вначале замкнуты ключи S1 и S3, ключи S2 и S4 — разомкнуты. Конденсатор С1 соединен с источником пита­ния и заряжен от него. В следующий такт работы преобразовате­ля ключи S1 и S3 разомкнуты, а ключи S2 и S4 — замкнуты. Конденсатор С1 положительно заряженной обкладкой соединяет­ся с общей шиной, отрицательно заряженной присоединяется к выходному конденсатору (конденсатору фильтра) С2, соединен­ному с нагрузкой. В итоге к конденсатору С2 и сопротивлению на­грузки будет подключен конденсатор С1, на выходе устройства будет получено напряжение инвертированной полярности.

На таком принципе основана работа микросхем МАХ828, МАХ829 фирмы MAXIM, ICL7660A, ICL7660S, ICL7662 фирмы Har­ris Semiconductors (или ее отечественного аналога КР1168ЕП1), LM2664 фирмы National Semiconductor и др.

clip_image014

Рис. 3.7. Получение инверсного напряжения на основе управляе­мых ключей

clip_image016

Рис. 3.8. Цоколевка микросхем МАХ828, МАХ829

Микросхемы МАХ828, МАХ829, цоколевка которых приведе­на на рис. 3.8, работают с частотами переключения 12 и 35 кГц, соответственно, причем на вход для преобразования и питания микросхем можно подавать напряжение 1,5…5,5 В. Выходной ток может доходить до 25 мА.

На рис. 3.9 показана типовая схема включения микросхем МАХ828, МАХ829 [3.5]. Преобразователь помимо самой микро­схемы содержит лишь два конденсатора.

clip_image018

Рис. 3.9. Типовая схема включения микросхем МАХ828 и МАХ829

clip_image020

Рис. 3.10. Схема для получения выходных напряжений -U и +2U

На рис. 3.10 показана возможность получения от этих мик­росхем одновременно инвертированного выходного напряжения и второго выходного напряжения, примерно равного удвоенному напряжению питания [3.5].

Принцип работы микросхем ICL7660S {КР1168ЕП1) анало­гичен рассмотренному выше, однако внутреннее строение и цо-колевки этих микросхем отличаются [3.5]. Входное напряжение (напряжение питания этих микросхем) в зависимости от модифи­каций может быть от 1,5 до 10 (12) В. Рабочая частота переклю­чения конденсаторов — 10 кГц. При работе микросхем для преобразования малых напряжений (1,5…3 В), их вывод 6 замы­кают на общий провод. Выходной ток может достигать в зависи­мости от уровня преобразуемого напряжения 10 мЛ и более.

Типовая схема включения микросхем ICL7660S {КР1168ЕП1) приведена на рис. 3.11 [3.5].

Для увеличения нагрузочной способности этих микросхем допускается неограниченное наращивание числа параллельно включенных микросхем (рис. 3.12), а для увеличения выходного на­пряжения — каскодное включение в соответствии с рис. 3.13 [3.5].

clip_image022

Рис. 3.11.

clip_image024

Рис. 3.12. Способ повышения нагрузочной способности преобразователей

clip_image026

Рис. 3.13. Способ повышения выходного напряжения преобразователей

clip_image028

Рис. 3.14.Типовая схема включения микросхем ICL7660S (КР1168ЕП1)

Схема удвоителя напряжения на микросхеме ICL7660S (КР1168ЕП1)

Микросхемы ICL7660S {КР1168ЕП1) могут быть использова­ны для удвоения напряжения питания (рис. 3.14), для получения

clip_image030

Рис. 3.15. Схема преобразователя напряжения на микросхеме ICL7660S (КР1168ЕП1)

clip_image032

Рис. 3.16. Способ получения искусственной средней точки

clip_image034

Рис. 3.17. Схема микромощного инвертирующего преобразовате­ля напряжения на микросхеме LTC1144

удвоенного напряжения положительной полярности и инвертиро­ванного напряжения (рис. 3.15) [3.5].

Микросхемы ICL7660S {КР1168ЕП1) могут быть использова­ны для создания искусственной средней точки. Для этого микросхе­му следует включить как показано на рис. 3.16 [3.6]. При этом работает внутренний генератор микросхемы, и конденсатор С1 по­очередно подключается сначала к источнику питания, затем к кон­денсатору С2, после чего вновь к источнику питания и в заключение к конденсатору СЗ. Нагрузка устройства может быть несимметрич­ной и для одного из плеч даже отсутствовать. При этом, разумеет­ся, будет наблюдаться неравенство выходных напряжений. •

Микромощный инвертирующий преобразователь напряже­ния (рис. 3.17), выполнен на специализированной микросхеме LTC1144, предназначенной для переключения конденсаторов [3.7]. Микросхема выполнена по КМОП-технологии. Ее входное напря­жение может достигать 20 В. При подаче на вход микросхемы напряжения 15 Б на выходе формируется напряжение противопо­ложной (отрицательной) полярности. При изменении тока нагрузки от О до 50 мА выходное напряжение снижается с 15 Б до 12,6 Б.

Собственный ток потребления преобразователя не превыша­ет 1,2 мА, что обеспечивает вьюокую эффективность преобразова­ния. В неактивном состоянии микросхема потребляет ток до 8 мкА.

Преобразователь напряжения на переключаемых конденса­торах с микросхемой LT1054 (рис. 3.18) также обеспечивает на выходе напряжение противоположной полярности [3.7]. При мини­мальном, входном напряжении 6,5 Б микросхема LT1054 может вырабатывать выходное стабильное напряжение -5 Б при токе нагрузки до 100 мА. Максимальное входное напряжение может достигать 20 Б.

clip_image036

Рис. 3.18.  Схема преобразователя напряжения на микросхеме LT1054

Микросхема LT1026 (рис. 3.19) предназначена для создания двухполярных источников питания ±5 Б [3.8]. При минимальном токе нагрузки и входном напряжении 5 Б выходные напряжения преобразователя составляют 9 Б. При возрастании тока нагрузки от О до 15 мЛ выходные напряжения плавно снижаются до 6 В. Преобразователь содержит несколько навесных конденсаторов небольшой емкости и габаритов.

Еще один тип преобразователей на переключаемых конден­саторах, имеющий иную схему перекачки заряда, может быть осу­ществлен по функциональной схеме, показанной на рис. 3.20. Это

clip_image038

Рис. 3.19. Формирование двухполярного напряжения на микро­схеме LT1026

clip_image040

Рис. 3.20. Принцип получения удвоенного напряжения

удвоители-инверторы напряжения. К ним относятся, например, микросхемы типа МАХ868 и им подобные [3.5].

Принцип удвоения/инверсии напряжения ясен из рис. 3.20. Вначале конденсаторы С1 и С2 подключены параллельно источ­нику питания. В следующий такт они включаются уже последова­тельно и в другой полярности подключаются к сопротивлению нагрузки и конденсатору фильтра С.

Микросхемы работают при подводимом напряжении пита­ния 1,5…5,5 В на частоте 450 кГц (300…600 кГц). Выходной ток может достигать 30…35 мА, а выходное отрицательное напряже­ние регулироваться в пределах (1 …2)ипит.

Типовое включение микросхемы МАХ868 г\г\я получения вы­ходного напряжения -7,5 В и -3,3 В при напряжении питания -i-5 В показано на рис. 3.21 и 3.22, соответственно [3.5].

Для микросхем типа МАХ619 (рис. 3.23), также работающих с использованием переключаемых конденсаторов по принципу перекачки заряда, входное напряжение может быть в пределах 2,0…3,6 В при потребляемом преобразователем номинальном

clip_image042

Рис. 3.21. Типовое включение микросхемы МАХ868

clip_image044

Рис. 3.22. Вариант типового включения микросхемы МАХ868

clip_image046

Рис. 3.23. Схема преобразователя напряжения на микросхеме МАХ619 или МАХ662А

токе 75 мА и максимальном — 150 м/А [3.9]. Выходное напряжение преобразователя стабилизировано на уровне 5 В при токе нагруз­ки до 60 мА.

Микросхема аналогичного назначения МАХ662А работает при повышенных входных и выходных напряжениях: входное — 4,75…5,5 Б; выходное — стабилизированное, 12 Б±5% при токе нагрузки до 30 мА.

Микросхемы МАХ619 и МАХ662А могут включаться-отклю­чаться логическим уровнем сигнала, подаваемого на вывод SHDN микросхемы.

Схема импульсного понижающего преобразователя напря­жения, выполненного на основе специализированной микросхемы LTC1911 фирмы Linear Technologies [3.10], показана на рис. 3.24.

clip_image048

Рис. 3.24. Понижающий преобразователь напряжения на комму­тируемых конденсаторах

При подаче на вход преобразователя напряжения в преде­лах 2,7…5,5 В на выходе получается стабилизированное напряже­ние 1,5 В±4% при токе нагрузки до 250 мА. КПД устройства намного выше КПД обычных (линейных) преобразователей на­пряжения и изменяется в пределах от 60 до 85% в зависимости от тока нагрузки. Собственный ток, потребляемый микросхемой, не превышает 180 мкА.

Преобразователь выполнен на основе переключаемых с частотой до 1,5 МГц внешних (навесных) конденсаторов С2 и СЗ. Пульсации выходного напряжения при максимальном токе на­грузки не превышают 12 мБ от пика до пика. Электролитические конденсаторы С1 и С4 должны быть типа К53. Параллельно им рекомендуется подключить керамические конденсаторы емко­стью в доли мкФ.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты