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

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 V_S,
равное 45 В, не более чем в 3 раза, до того,
как он настраивается на более низкое значение напряжения V_GH = 27 В, пригодное для
этого приложения. Регулирующий каскад генератора подкачки отрицательного заряда
в данном случае доводит выходное напряжение V_GL до –7 В при исходном напряжении,
которое создает повышающий преобразователь от 5 до 15 В (f_sw = 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×V_S. 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 V_SW = 0 В
навесной конденсатор C1 заряжается до напряжения V_S через диод D1. Одновременно
накопительный конденсатор C3 аналогичным
образом заряжает конденсатор C2 до 2×V_S
через диод D3. Диоды D2 и D4 закрыты. Так
как выходное напряжение V_CPP больше не подается, выходной конденсатор C4 должен выдавать требуемый нагрузочный ток в цепь
20 мА.

В выключенном состоянии напряжение
коммутационного узла повышается, и напряжение V_SW увеличивает энергию, накопленную в навесных конденсаторах C1 и C2, поднимая уровень до 2×V_S и 3×V_S в конденсаторах C3 и C4 соответственно (при V_SW = V_S).
Диод D2 становится прямосмещенным и позволяет току течь в конденсатор C3, который
заряжается до 2×V_S (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×V_S, 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 –V_S (рис. 1),
а регулирующий каскад приводит выходное
напряжение V_GL 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 V_S, навесной конденсатор C6 заряжается через диод D6 до напряжения V_SW = V_S. Одновременно выходной
конденсатор C7 обеспечивает выходной нагрузочный ток 20 мА.

Во время пребывания во включенном состоянии V_SW = 0 В, поэтому потенциал ранее
положительного вывода навесного конденсатора C6 понижается до уровня заземления,
происходит сдвиг напряжения конденсатора
со смещением V_S. 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
V_CPN 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 V_GL, V_GH и V_S 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
(t_on) и выключенного (t_off) состояния. В случае, когда D = 50% (t_on = t_off ; 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 V_SW и V_S, 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
X_C = 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 V_S, эти
диоды следует выбирать с обратным напряжением по постоянному току не менее V_S
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 V_S, а лишь до V_S –V_R1. 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 V_GH и V_GL,
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 V_GH и V_GL будет равно V_Z –V_be. На рис. 6 представлен
процесс регулирования выходного напряжения, измеряемого до и после каскада. Можно
заметить, что система превосходно регулируется, пока генерируемое на выводах V_CPP
и V_CPN 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.