Журнал РАДИОЛОЦМАН, август 2015
Tim Davis
Electronic Design
Объединив микросхемы зарядового насоса с дополнительными дискретными компонентами, можно сделать инвертирующую схему, позволяющую уменьшить уровень пульсаций и снизить выходной импеданс
Инвертирующий зарядовый насос вырабатывает отрицательное напряжение питания из входного положительного напряжения. Зарядовые насосы на дискретных компонентах обычно отличаются более низким выходным импедансом, сниженным уровнем пульсаций выходного напряжения, управляемыми токами заряда и более высокими рабочими напряжениями. Существующие в настоящее время микросхемы не могут работать при напряжении 15 В, но включить их в схему хотелось всегда, чтобы сделать устройство более дешевым. Предлагаемое решение является шагом к этой цели.
 |
|
| Рисунок 1. | Схема инвертирующего преобразователя с накачкой заряда содержит пару микросхем зарядовых насосов и основанную на MOSFET цепь обнаружения фронтов и удвоения частоты, обеспечивающую синхронизацию устройства и улучшающую его характеристики. |
В описываемых здесь емкостных схемах накачки заряда на дискретных компонентах, работающих при напряжении +15 В, используются два синхронно тактируемых конденсатора накачки. Изображенная на Рисунке 1 схема содержит цепь обнаружения фронтов и удвоения частоты, отдельно смоделированную и проверенную в Spice-симуляторе (Рисунок 2).
 |
|
| Рисунок 2. | В этой схеме обнаружения фронтов и удвоения частоты, нарисованной в симуляторе LTSpice, M1 выделяет нарастающий фронт VIN, а M2 – спадающий. |
Максимальное входное напряжение микросхем зарядовых насосов U1 и U2 (изготовитель Microchip Technology) равно 12 В, что достаточно близко к желаемому значению 15 В. Микросхема U3 делит пополам напряжение положительного источника питания, чтобы понизить его до уровня, допустимого для входа микросхемы U1. U1 и U2 включены в стандартной инвертирующей конфигурации. К каждой из этих микросхем подключен отдельный конденсатор накачки (между выводами CAP+ и CAP–) и запоминающий конденсатор (между выводами VOUT и GND). Дополнительная схема, состоящая из двух транзисторов 2N7002 и драйвера затвора MCP1401T, формирует противофазные тактовые импульсы для конденсатора накачки микросхемы U2. Таким образом, в каждом полупериоде синхронно работает то один, то другой зарядовый насос.
В подсхеме выделения фронтов (Рисунок 2) положительный фронт импульса VIN, пройдя через конденсатор C2, открывает MOSFET M1, а отрицательный – MOSFET M2. Падение напряжения на R1 от суммарного тока соединенных стоков транзисторов равно 7.5 В. U4 сдвигает уровень сигнала синхронизации, чтобы привести его в соответствие с напряжением питания U1 и U2, после чего сигнал поступает на вход генератора микросхемы U2. С учетом схемы, делящей напряжение на два, сигнал с конденсатора накачки микросхемы U1 удваивается. Сравните эту синхронную схему с Рисунком 4 в справочных данных на микросхему TC1044S [1]. Рисунок имеет подпись «Параллельное включение устройств уменьшает выходной импеданс», и, как видно из схемы, каждая микросхема TC1044S также отдает свой заряд в запоминающий конденсатор, однако, в отличие от описываемого устройства, это происходит в случайные моменты времени.
В микросхеме TC1044S имеется времязадающий резистор для настройки частоты накачки, позволяющий снизить рабочую частоту. Для этого необходимо включить конденсатор между выводами 7 (OSC) и GND ведущего зарядового насоса U1. Снижение частоты потребует увеличения емкости конденсаторов, но упростит реализацию схемы последующего регулятора. Не все линейные стабилизаторы напряжения могут работать в килогерцовом диапазоне частот.
На осциллограмме (Рисунок 3) показаны формы сигналов при выходной нагрузке 200 Ом. Обратите внимание, что сигналы в каналах CH2 и CH4 сдвинуты по фазе на 180°. В то время, когда один конденсатор накачки заряжается, другой отдает свой заряд в запоминающий конденсатор. CH1 иллюстрирует эффект полного переноса заряда конденсатора накачки в запоминающий конденсатор, происходящего в каждом полуцикле. Пульсации напряжения создаются конденсаторами накачки, последовательно разряжающимися на запоминающий конденсатор. CH3 показывает, что благодаря танталовому конденсатору 100 мкФ, включенному на выходе U3, в средней точке разделенного питания пульсации минимальны.
 |
|
| Рисунок 3. |
На экране четырехканального микроскопа показаны следующие сигналы: CH1 – напряжение на шине V–; Смещение по вертикали в каналах CH2 и CH4 установлено на одинаковом уровне. |
Нагрузочные линии на Рисунке 4 были получены изменением нагрузки RLOAD с использованием декадного магазина сопротивлений, а ток нагрузки ILOAD рассчитывался как VOUT/RLOAD (VOUT – выходное напряжение). Наклон нагрузочной прямой соответствует выходному сопротивлению (в омах). Выходное сопротивление схемы с двумя насосами равно 21.5 Ом, в то время как для схемы с одним насосом оно равно 50.3 Ом. Часть выходного сопротивления обусловлена сопротивлениями открытых каналов внутренних MOSFET микросхем U1 и U2, включенных последовательно с запоминающими конденсаторами и конденсаторами накачки. Изменить это можно только заменой микросхем на дискретные компоненты.
 |
|
| Рисунок 4. | Как можно видеть из результатов измерений, выходные импедансы преобразователей ZOUT различаются более чем в два раза: 21.5 Ом для версии с двумя зарядовыми насосами и 50.3 Ом для стандартной схемы с одним насосом. |
Были также измерены пульсации выходного напряжения для вариантов с одним и двумя зарядовыми насосами. При выходном напряжении –6.6 В DC выходные пульсации схемы с двумя зарядовыми насосами составляли всего 180 мВ пик-пик, в то время как в схеме с одним насосом пульсации достигали 550 мВ пик-пик.
