Преобразователи постоянного напряжения на коммутируемых конденсаторах

При конструировании электронных устройств часто требуется источник питания с различными значениями выходного напряжения. Широкое применение в современных устройствах находят преобразователи постоянного напряжения на переключающихся конденсаторах, позволяющие вырабатывать требуемые напряжения от одного источника питания. В статье рассматриваются принципы работы таких преобразователей, их технические характеристики и варианты применения.

Рассмотрим принцип работы преобразователя на примере широко распространенной микросхемы IСL7660/MAX1044 с расширенными функциональными возможностями. Микросхема МАХ1044 отличается от IСL7660 наличием входа Boost (увеличение частоты внутреннего генератора). Структурная схема микросхемы ICL7660 приведена на рис.1.

Рис. 1.

Схема содержит четыре силовых МОП ключа, управляемых логическими элементами и сдвигателем уровня напряжения, работа которых осуществляется на частоте, полученной в результате деления на два частоты задающего RC генератора. Это позволяет формировать управляющие импульсы с требуемыми характеристиками «меандр» и оптимизировать по потреблению работу задающего RC генератора, рабочая частота которого без внешних элементов составляет 10 кГц. Внутренний регулятор напряжения необходим для обеспечения работы микросхемы от источника с пониженным напряжением.

Принцип работы микросхемы в режиме идеального инвертора напряжения рассмотрим по функциональной схеме, приведенной на рис.2.

Рис. 2.

При замыкании ключей S1 и S3 и размыкании ключей S2 и S4 во время первой половины цикла внешний конденсатор С1 заряжается от источника питания до напряжения V⁺, а при замыкании ключей S2 и S4 и размыкании ключей S1 и S3 во время второй половины цикла конденсатор С1 передает частично свой заряд внешнему конденсатору С2, обеспечивая на выводе V_OUT микросхемы напряжение -V⁺. Указанные значения напряжения соответствуют установившемуся режиму.

Энергия, передаваемая конденсатором С1 за один цикл, определяется с помощью выражения

(1)

где V₁ (V₂) - напряжение на конденсаторе С1 в конце первой (второй) половины цикла.

Одним из основных показателей преобразователя является коэффициент преобразования

(2)

где U_вых - напряжение на выходе преобразователя при токе нагрузки, равном i; U_вых.ид. - напряжение на выходе идеального преобразователя (для инвертора U_вых.ид.=-U_вх).

Из выражения (2) видно, что высокое значение коэффициента преобразования достигается при U_вых(i) = U_вых.ид., т.е. при V1 = V2. Однако, как видно из выражения (1), в этом случае снижается переносимая конденсатором С1 энергия, что затрудняет обеспечение высокого значения коэффициента преобразования. Повышение переносимой конденсатором энергии возможно при увеличении емкости С1 или рабочей частоты. В первом случае возрастают габариты конденсатора и, следовательно, габариты преобразователя. Во втором случае возрастают потери энергии в реальном устройстве, что снижает его коэффициент полезного действия

где Р_вых - мощность, отдаваемая в нагрузку; Р_вх - мощность, потребляемая от источника питания.

Из проведенного анализа видно, что при разработке конкретного устройства преобразования необходима оптимизация значений рабочей частоты и емкости конденсатора С1. Для этого необходимо предусмотреть возможность изменения рабочей частоты в соответствии со значениями рабочих напряжений и потребляемых токов.

ОУ. Общие сведения.

Операционным называется усилитель, предназначенный для выполнения математических операций при использовании его в схеме с обратной связью. Однако область применения ОУ, выполненного в виде микросхемы, гораздо шире. Поэтому в настоящее время под ОУ принято понимать микросхему  усилитель постоянного тока, позволяющий строить узлы аппаратуры, функции и технические характеристики которых зависят только от свойств цепи обратной связи, в которую он включен.

Рис. 33 Условные обозначения операционных усилителей

На Рис. 33 представлено условное графическое обозначения операционных усилителей. Вход, обозначенный плюсом, называется неинвертирующим, минусом -инвертирующим. Обычно на ОУ подают положительное и отрицательное напряжения питания. В дополнение к перечисленным выводам в некоторых типах ОУ предусмотрены выводы для подключения цепей коррекции частотной характеристики (FC) и установки нуля выходного напряжения (NC). Операционный усилитель имеет ряд достоинств, обеспечивающих ему широкое применение. Во-первых, ОУ чрезвычайно чувствителен к разности напряжений, подаваемых между его инвертирующим и неинвертирующим входами (дифференциальное входное напряжение), и нечувствителен к изменениям напряжений, подаваемых на оба входа и одинаковых по абсолютной величине и полярности (синфазное входное напряжение). Во-вторых, операционный усилитель имеет очень большое входное сопротивление и не оказывает влияния на схемы к которым он подключен. И в-третьих, операционный усилитель без обратной связи имеет очень большой коэффициент усиления по напряжению, и благодаря этому при включении обратной связи свойства усилителя определяются только цепью обратной связи и не зависят от самого усилителя.

Основные параметры ОУ

Интегральный ОУ имеет следующие основные параметры:

1. Коэффициент усиления напряжения K_yU  отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению входного напряжения. В общем случае коэффициент напряжения ОУ, не охваченного обратной связью, равен произведению K_yU всех его каскадов. В настоящее время K_y некоторых усилителей по постоянному току превышает 3^.10 ⁶. Однако значение его уменьшается с ростом частоты входного сигнала, при этом суммарная АЧХ имеет столько изломов, сколько усилительных каскадов в ОУ. Каждый каскад на высоких частотах вносит фазовый сдвиг, который влияет на устойчивую работу ОУ, охваченного отрицательной обратной связью (ООС). Устойчивой работы усилительных каскадов ОУ добиваются введением частотной коррекции  внешних нагрузочных RC  цепей. Для стабилизации двухкаскадного усилителя обычно требуется одна цепь, трехкаскадного  две. Многие ОУ последних выпусков не требуют внешних цепей коррекции, так как в их схему уже введены необходимые элементы.

2. Частота единичного усиления f_I  значение частоты входного сигнала, при котором значение коэффициента усиления напряжения ОУ падает до единицы. Этот параметр определяет максимально реализуемую полосу усиления ОУ. Выходное напряжение на этой частоте ниже, чем для постоянного тока в 30 раз.

3. Максимальное выходное напряжение U_{ВЫХ макс}  максимальное значение выходного напряжения, при котором искажения не превышают заданного значения. В отечественной практике этот измеряется относительно нулевого потенциала как в положительную, так и в отрицательную сторону U_{ВЫХ макс}. В зарубежных каталогах приводят значение максимального диапазона выходных напряжений, который равен 2U_ВЫХ. Выходное напряжение измеряется при определенном сопротивлении нагрузки. При уменьшении сопротивления нагрузки величина U_{ВЫХ макс} уменьшается.

4. Скорость нарастания выходного напряжения V_Uвых  отношение изменения U_ВЫХ от 10 до 90% от своего номинального значения ко времени, за которое произошло это изменение. Параметр характеризует скорость отклика ОУ на ступенчатое изменение сигнала на входе; при измерении ОУ охвачен ООС с общим коэффициентом усиления от 1 до 10.

5. Напряжение смещения U_СМ  значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы на выходе напряжение было равно 0. Операционный усилитель реализуется в виде микросхемы со значительным числом транзисторов, характеристики которых имеют разброс по параметрам, что приводит к появлению постоянного напряжения на выходе в отсутствие сигнала на входе. Параметр U_СМ помогает разработчикам рассчитывать схемы устройств, подбирать номиналы компенсационных резисторов.

6. Входные токи I_ВХ  токи, протекающие через входные контакты ОУ. Эти токи обусловлены базовыми токами входных биполярных транзисторов и токами утечки затворов для ОУ с полевыми транзисторами на входе. Входные токи, проходя через внутреннее сопротивление источника сигнала, создают падение напряжений, которые могут вызывать появление напряжения на выходе в отсутствие сигнала на входе.

7. Разность входных токов I_ВХ. Входные токи могут отличаться друг от друга на 10 ... 20%. Зная разность входных токов, можно легко подобрать номинал балансировочного резистора. Все параметры ОУ изменяют свое значение  дрейфуют с изменением температуры. Особенно важными дрейфами являются:

8. Дрейф напряжения смещения  U_СМ.

9. Дрейф разности входных токов I_ВХ.

10. Максимальное входное напряжение U_ВХ  напряжение, прикладываемое между входными выводами ОУ, превышение которого ведет к выходу параметров за установленные границы или к разрушению прибора. В таблицах приводятся значения U_ВХ, в зарубежной литературе  абсолютные значения диапазона.

11. Максимальное синфазное входное напряжение U_{ВХ СФ}  наибольшее значение напряжения прикладываемого одновременно к обоим входным выводам ОУ относительно нулевого потенциала, превышение которого нарушает работоспособность прибора. В отечественной документации приводят модуль величины U_{ВХ СФ}, а в зарубежной диапазон.

12. Коэффициент ослабления синфазного сигнала К_ОССФ  отношение коэффициента усиления напряжения, приложенного между входами ОУ, к коэффициенту усиления общего для обоих входов напряжения.

13. Выходной ток I_ВЫХ  максимальное значение выходного тока ОУ, при котором гарантируется работоспособность прибора. Это значение определяет минимальное сопротивление нагрузки. Очень важно при расчете комплексного сопротивления нагрузки учитывать, что при переходных процессах включения (выключения) ОУ значение емкостной или индуктивной составляющей сопротивления нагрузки резко изменяются и при неправильном подборе нагрузки схема может выйти из строя.

Часто вместо значения I_ВЫХ в документации приводят минимальное значение сопротивления нагрузки R_Н. Большая часть ОУ, разработанных в последнее время, имеют каскад, ограничивающий величину выходного тока при внезапном замыкании выходного контакта на шину источника питания или нулевой потенциал. Предельный выходной ток при этом  ток короткого замыкания I_КЗ равен 25 мА.

Конструкторы и технологи микросхем ОУ постоянно ищут способы улучшения основных параметров приборов: увеличение K_yU, f_I, V_Uвых и др. Применяя схемотехнические решения и вводя новые технологические приемы, стараются снизить значение «паразитных» параметров U_СМ, I_ВХ, I_ВХ и их дрейфов, а также мощность, потребляемую прибором. Как правило достичь максимальных значений для всех параметров невозможно. Достижение максимального значения одного параметра часто осуществляется за счет ухудшения другого. Так, увеличение коэффициента усиления по напряжению влечет за собой снижение частотных свойств, и наоборот.