Журнал РАДИОЛОЦМАН, сентябрь 2011
Keith Curtis, Microchip Technology
Не так давно для одного из проектов мне потребовался стабилизированный источник питания 15 В, способный отдавать ток в единицы миллиампер. Но в схеме была единственная шина питания с напряжением 9 В, а делать дорогой индуктивный повышающий преобразователь мне не хотелось. Я рассматривал вариант с емкостным удвоителем напряжения, но для этого потребовалось бы ставить на плату еще одну микросхему, и, кроме того, удвоители склонны проседать под малейшей нагрузкой.
Мне хотелось сделать простую схему, затратив небольшое количество компонентов и кое-что из неиспользованной периферии моего микроконтроллера. Проинспектировав свободные выводы, я обнаружил, что располагаю широтно-импульсным модулятором (ШИМ) с множеством режимов работы в конфигурации H-моста, компаратор, источник опорного напряжения и несколько каналов аналого-цифрового преобразователя (АЦП).
В старых телевизионных приемниках для питания ЭЛТ использовались простые, основанные на конденсаторах, умножители напряжения. Схема называлась «Каскадный умножитель напряжения Вилларда (Villard)» и, по существу, представляла собой немного усложненную версию удвоителя напряжения с накачкой заряда. Используя периферийные схемы микроконтроллера для управления переносом заряда между конденсаторами, можно создать похожую схему, вырабатывающую стабилизированное напряжение 15 В из шины 5 В. Из комбинации топологии умножителя Вилларда и ШИМ, получается схема, способная без нагрузки генерировать напряжение 18 В, а добавление компаратора и источника опорного напряжения, запускает простой механизм обратной связи (см. Рисунок).
 |
| В этом каскадном умножителе для получения стабилизированного напряжения 15 В используется стандартная периферия микроконтроллера и несколько внешних компонентов. |
При низком напряжении на выходе моста ШИМ компаратор в течение полупериода заряжает первый конденсатор (C1), и напряжение на аноде достигает приблизительно 4.5 В (напряжение на выходе компаратора меньше падения напряжения на диоде). В другом полупериоде (на выходе полумоста высокое напряжение) к катоду C1 прикладывается напряжение 5 В, так что напряжение на аноде становится равным 9.5 В, и заряд конденсатора C1 передается на C2, повышая напряжение на аноде C2 до 9 В.
Аналогично, в течение полупериодов, когда на выходе ШИМ высокий уровень напряжения, к аноду C2 подключается напряжение 5 В, передавая заряд на C3. Во время полупериодов низкого напряжения переносится заряд с C3 на C4. Таким образом, на каждом последующем каскаде напряжение оказывается на 4.5 В больше, чем на предыдущем.
Когда VOUT станет достаточно большим, чтобы напряжение на делителе, подключенном к инвертирующему входу компаратора, достигло VREF, напряжение на выходе компаратора опустится. С этого момента C1 перестает заряжаться, и распространение заряда по каскадам прекращается.
В макет своей схемы я ставил диоды Шоттки из-за малого падения напряжения, а номиналы конденсаторов выбирал равными 0.1 мкФ, 1 мкФ или 10 мкФ. Все конденсаторы в схеме были одинаковыми. Благодаря обратной связи по напряжению, напряжение стабилизировалось вплоть до величины 15 В. Ток, который могла отдавать схема в нагрузку, зависел от номиналов конденсаторов, но для моих целей емкость не имела значения – для тока не более 1 мА годились любые конденсаторы.
