Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2009 №5

Повышающий преобразователь напряжения: создание дополнительного напряжения с помощью внешних генераторов подкачки заряда

Гибург Николас


Внешние генераторы подкачки заряда представляют собой удобный и гибкий способ создания дополнительного напряжения на шинах питания с помощью повышающего преобразователя напряжения. Такие шины теоретически могут иметь положительный или отрицательный уровни напряжения и в состоянии обеспечить питание для любого приложения, требующего два или более значения. Три основных показателя (+27, –7 и 15 В), необходимых для приложений с жидкокристаллическими дисплеями TFT, могут быть сформированы с использованием одного повышающего преобразователя напряжения с входным напряжением, например в 5 В. Также от источника питания с показателем 3,3 В могут генерироваться уровни напряжения ±5 В, необходимые для операционного усилителя.

Автор описывает, как с помощью внешних генераторов подкачки заряда от одноканального повышающего преобразователя, например, устройства TPS61087, можно формировать два дополнительных значения напряжения. Приведенные в этой статье примеры дадут читателю представление о возможностях таких генераторов и позволят разрабатывать рентабельные системы с использованием шин питания с требуемым напряжением.



Рис. 1. Пример использования микросхемы TPS61087 для жидкокристаллического дисплея TFT с внешними генераторами подкачки заряда (VGH, VGL)

На рис. 1 представлена конфигурация, в которой внешний генератор подкачки положительного заряда обеспечивает уровень напряжения, превосходящий выходное напряжение вольтодобавочного преобразователя VS, равное 45 В, не более чем в 3 раза, до того, как он настраивается на более низкое значение напряжения VGH = 27 В, пригодное для этого приложения. Регулирующий каскад генератора подкачки отрицательного заряда в данном случае доводит выходное напряжение VGL до –7 В при исходном напряжении, которое создает повышающий преобразователь от 5 до 15 В (fsw = 1,2 МГц).

Примеры генераторов подкачки заряда

Генератор подкачки положительного заряда

Схема работы драйвера генератора подкачки заряда показана на рис. 2, здесь представлен фрагмент схемы драйвера для типового приложения. В режиме с удвоением генератор подкачки заряда будет создавать напряжение в 2×VS. Рассмотрим пример режима с увеличением напряжения в три раза.



Рис. 2. Внешний генератор подкачки положительного заряда — идеальный пример

Поясним, как работает генератор подкачки заряда в более простом для рассмотрения стационарном режиме. Для начала предположим, что все компоненты являются идеальными, а продолжительность включения вольтодобавочного преобразователя составляет 50%. Резистор R1 на рис. 2 имеет сопротивление 0 Ом и присутствует здесь лишь для измерения тока, текущего на конденсаторы C1 и C2.

Во включенном состоянии при VSW = 0 В навесной конденсатор C1 заряжается до напряжения VS через диод D1. Одновременно накопительный конденсатор C3 аналогичным образом заряжает конденсатор C2 до 2×VS через диод D3. Диоды D2 и D4 закрыты. Так как выходное напряжение VCPP больше не подается, выходной конденсатор C4 должен выдавать требуемый нагрузочный ток в цепь 20 мА.

В выключенном состоянии напряжение коммутационного узла повышается, и напряжение VSW увеличивает энергию, накопленную в навесных конденсаторах C1 и C2, поднимая уровень до 2×VS и 3×VS в конденсаторах C3 и C4 соответственно (при VSW = VS). Диод D2 становится прямосмещенным и позволяет току течь в конденсатор C3, который заряжается до 2×VS (после того, как напряжение на его выводах понизилось во время включенного состояния). Таким же образом начинает проводить ток диод D4, так что от конденсатора C3 выходной конденсатор снова заряжается до 3×VS, и одновременно подается требуемый выходной ток 20 мА в выходную цепь.

И, наконец, в выключенном состоянии индуктивность подает ток 80 мА на навесные конденсаторы, а также 40 мА — на выходной конденсатор вольтодобавочного преобразователя, разрядившегося на конденсатор C1 во время работы. Таким образом, ток от вольтодобавочного преобразователя в среднем равен утроенному выходному току генератора подкачки положительного заряда, то есть 60 мА в данном примере.

Генератор подкачки отрицательного заряда

Внешний генератор подкачки отрицательного заряда также работает с использованием двух каскадов (генератор подкачки заряда и регулирование). Генератор обеспечивает отрицательное выходное напряжение –VS (рис. 1), а регулирующий каскад приводит выходное напряжение VGL к требуемому уровню. Принцип действия драйвера генератора подкачки заряда демонстрируется на рис. 3.



Рис. 3. Внешний генератор подкачки отрицательного заряда — идеальный случай

Как работает генератор подкачки отрицательного заряда в стационарном режиме? Предполагается, что все компоненты идеальные, продолжительность включения вольтодобавочного преобразователя составляет 50%, а резистор R1 имеет сопротивление 0 Ом.

В выключенном состоянии сохраняется высокое напряжение коммутационного узла, на уровне напряжения VS, навесной конденсатор C6 заряжается через диод D6 до напряжения VSW = VS. Одновременно выходной конденсатор C7 обеспечивает выходной нагрузочный ток 20 мА.

Во время пребывания во включенном состоянии VSW = 0 В, поэтому потенциал ранее положительного вывода навесного конденсатора C6 понижается до уровня заземления, происходит сдвиг напряжения конденсатора со смещением VS. Таким образом, диод D7 оказывается прямосмещенным, что обеспечивает прохождение тока и питание выходной цепи.

Аналогично ситуации с генератором подкачки положительного заряда, средний ток от вольтодобавочного преобразователя для обеспечения уровня 20 мА при напряжении VCPN равен удвоенному выходному току генератора подкачки отрицательного заряда, то есть 40 мА в приведенном примере.

Применение генератора подкачки заряда в реальных условиях

Приведенные примеры (рис. 2, 3) рассматривались для идеальных компонентов и цикла продолжительности включения. В реальных условиях маловероятно, что продолжительность включения составит 50%. В этих же условиях внешние компоненты всегда будут приводить к потерям, которые необходимо принимать в расчет, чтобы выбрать наилучшую возможную конфигурацию.

Влияние продолжительности включения

В зависимости от входного напряжения и необходимых пользователю выходных напряжений VGL, VGH и VS продолжительность включения будет больше или меньше 50%. Поскольку конденсаторы не проводят постоянный ток, то средняя величина протекающего через них тока равна нулю по истечении каждого периода времени. Причем амплитуда тока, заряжающего и разряжающего навесные конденсаторы, будет зависеть от продолжительности времени включенного (ton) и выключенного (toff) состояния. В случае, когда D = 50% (ton = toff ; рис. 2, 3), протекающие в обоих направлениях токи совпадают по величине и идеально разнесены по каждому циклу.

Навесные конденсаторы обеспечивают накопление заряда, так что при выборе слишком малой емкости возрастет импеданс (полное сопротивление) выводов VSW и VS, что приводит к потере напряжения на выходах генератора подкачки заряда. Обычно достаточно хорошим выбором для навесных и накопительных конденсаторов является емкость 470 нФ. Реактивное сопротивление XC = 1×(2π×f×C) навесных конденсаторов должно быть как можно более низким, чтобы сократить потери.

Емкость выходного конденсатора от 470 нФ до 1 мкФ — хороший начальный вариант для большинства приложений, но ее величина зависит, главным образом, от выходного тока, допустимой величины пульсирующего компонента выходного напряжения или переходной характеристики нагрузки и может быть увеличена. Для интенсивных рабочих циклов рекомендуются выходные и накопительные конденсаторы большей емкости, чтобы дополнительно уменьшить пульсирующий компонент. В то же время, поскольку каждый диод Шоттки должен быть в состоянии блокировать напряжение VS, эти диоды следует выбирать с обратным напряжением по постоянному току не менее VS и с номиналом по току выше, чем протекающий через них ток.

Характеристики тока

Реальные компоненты не имеют идеальных характеристик. Токи заряда конденсаторов в начальный момент времени могут достигать нескольких ампер. Резистор R1 (рис. 1), помещаемый между коммутационным узлом вольтодобавочного преобразователя и выводом навесного конденсатора, помогает уменьшить этот ток. Если используется резистор с сопротивлением 1 Ом, то амплитуда тока достигает 250 мА (рис. 4a), тогда как в идеальном случае ток должен составлять всего 40 мА.



Рис. 4. Зависимость тока навесного конденсатора при: а) сопротивлении R1 = 1 Ом; б) сопротивлении R1 = 100 Ом

Результаты моделирования на рис. 4б показывают наличие тока с импульсами прямоугольной формы, который должен при обычных условиях течь к навесному конденсатору. Такую форму импульсов можно получить с резистором сопротивлением 100 Ом. Однако потери из-за высокого сопротивления резистора не являются пренебрежимо критически малыми, так что необходимый уровень выходного напряжения невозможно достичь из-за того, что конденсаторы уже заряжаются не до уровня напряжения VS, а лишь до VSVR1. Обычно сопротивления R1 = 10 Ом достаточно для того, чтобы ограничить ток, не создавая слишком больших потерь.

Регулирующий каскад

Регулирующий каскад с задаваемым выходным напряжением позволяет пользователю гибко подходить к выбору выходного напряжения для конкретного применения.

Мы уже рассматривали, как формируется напряжение в генераторах подкачки положительного и отрицательного заряда. Следующий каскад (рис. 5— аналогично и для генератора подкачки отрицательного заряда) регулирует выходное напряжение VGH и VGL, рассеивая избыток энергии на биполярном транзисторе.



Рис. 5. Регулирующий каскад генератора подкачки положительного заряда

Зенеровский диод приводит напряжение к требуемому выходному значению, а биполярный транзистор используется для уменьшения потребления тока. Окончательно выходное напряжение на выводах VGH и VGL будет равно VZVbe. На рис. 6 представлен процесс регулирования выходного напряжения, измеряемого до и после каскада. Можно заметить, что система превосходно регулируется, пока генерируемое на выводах VCPP и VCPN напряжение остается выше выходного показателя, добавленного к падению напряжения на транзисторе. Можно создавать и более высокую мощность при надлежащем подборе номиналов компонентов, например, увеличивая напряжение генераторов подкачки заряда за счет перехода от режима с утроением к режиму с увеличением напряжения в четыре раза, а также выбирая компоненты в зависимости от показателей тока и мощности. Максимально возможный выходной ток зависит также от суммарного потребления тока системой, которое не должно превышать ограничения по току вольтодобавочного преобразователя.



Рис. 6. Характеристики регулирования выходного напряжения: а) генератором подкачки отрицательного заряда; б) генератором подкачки положительного заряда

Для регулирования можно использовать конфигурацию, представленную на рис. 5, а также регулятор шунтирующего типа, например TL432.

Преимущество внешних генераторов подкачки заряда — в обеспечении большей гибкости в сочетании с высокими эксплуатационными показателями и низкой стоимостью. Используя отдельные вольтодобавочные преобразователи, например, TPS61085 или TPS61087, можно получить высокомощные генераторы подкачки положительного или отрицательного заряда. Для облегчения проектирования выбор компонентов также можно оценить с помощью инструментального средства для имитационного моделирования TinaTI, которое доступно на сайте www.ti.com.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке