Мультиплексорные преобразователи напряжения на микросхемах и конденсаторах

Особое направление в технике преобразования напряжения составляют мультиплексорные преобразователи. Принцип их действия основан на использовании КМОП- или иных мультиплексоров — полупроводниковых переключаемых ключей. Для преобразования напряжения одного уровня или знака в напряжение другого уровня или знака накопительный конденсатор или их группу путем переключений заряжают от источника питания, а в следующий рабочий цикл подключают к нагрузке в той или иной полярности и последовательности.

Такие преобразователи обеспечивают электрическую изоляцию, обусловленную гарантированной заводом-производителем величиной, иногда до 10^10 Ом. Одновременно может быть получено неограниченное количество гальванически развязанных источников напряжения, которые можно соединять последовательно или параллельно. Преобразователи имеют малые габариты и собственное энергопотребление, не требуют использования выпрямителей.

Недостатками мультиплексорных преобразователей является низкая нагрузочная способность, невысокие выходные напряжения. Потери при преобразовании определяются электрическим сопротивлением открытых ключей (50... 150 Ом — для отечественных микросхем).

На рис. 3.1 показана одна из первых схем мультиплексорно-го преобразователя напряжения. На вход мультиплексора поступают импульсы управляющих сигналов прямоугольной формы частотой 8... 12 кГц. Как следует из анализа работы схемы, конденсатор С1 при помощи ключей мультиплексора по очереди подключается вначале к источнику питания, затем — к сопротивлению нагрузки, меняя при этом полярность выходного напряжения. КПД устройства при сопротивлении нагрузки 1 кОм составляет 80% и с увеличением этого сопротивления до 5 кОм возрастает до 95%. При напряжении питания преобразователя 8 В и сопротивлении нагрузки 1 кОм амплитуда пульсаций на нагрузке не превышает 30 мВ,

Рис. 3.1. Схема мультиплексорного преобразователя напряжения с инвертированием.

Рис. 3.2. Нагрузочные характеристики преобразователя (рис. 3.1).

Нагрузочные характеристики преобразователя (рис. 3.1) показаны на рис. 3.2.

Преобразователи напряжения (рис. 3.3, 3.4) предназначены для получения двух электрически развязанных от источника питания напряжений Е1 и Е2.

Устройства содержат генератор и/или формирователь уп-равляюще-коммутирующих импульсов, а также электронный коммутатор на основе КМОП-мультиплексора.

На микросхеме DD1 типа К176ИЕ12 (рис. 3.3) выполнен генератор-формирователь управляющих импульсов.

Рис. 3.3. Электрическая схема преобразователя с внутренним тактовым генератором.

Рабочая частота генератора определяется параметрами навесных RC-элементов. С выходов Т1 — Т4 микросхемы DD1 снимается последовательность сдвинутых на 90° импульсов с частотой порядка 2,5 кГц. На диодах VD1 — VD4 выполнен формирователь-сумматор управляющих импульсов, которые поступают на управляющие входы (А и В) микросхемы-мультиплексора DA1 типа К561КП1.

В преобразователе по другой схеме (рис. 3.4) тактовые импульсы частотой около 100 кГц, необходимые для работы счетчиков микросхемы DD1 типа К561ИЕ9, подаются на ее управляющий вход от внешнего генератора. Для формирования последовательности управляющих сигналов, поступающих на вход микросхемы-мультиплексора DA1, использованы диоды VD1 — VD8.

При подаче на управляющие входы А и В микросхемы DA1 управляющих сигналов происходит последовательное подключение накопительного электролитического конденсатора С4 на рис. 3.3 (СЗ на рис. 3.4) к источнику питания, затем к цепи формирования выходного напряжения Е1, а затем снова к источнику питания и далее — к цепи формирования выходного напряжения Е2 и т.д.

Рис. 3.4. Электрическая схема преобразователя с внешним тактовым генератором.

Рис. 3.5. Нагрузочные характеристики преобразователей.

Нагрузочные характеристики каждого из источников сформированных таким образом напряжений Е1 и Е2 идентичны и строго линейны (рис. 3.5). Эти выходы электрически изолированы от источника питания преобразователя (паспортное значение сопротивления изоляции — 10 1 Ом). Напряжение холостого хода на выходах преобразователя практически совпадает с напряжением питания устройства. Преобразователь не боится коротких замыканий по цепям нагрузки.

Для аварийного питания электронных устройств от резервного источника при пропадании напряжения в сети предназначено устройство по схеме на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Схема обратимого преобразователя напряжения.

Преобразователь содержит резервную аккумуляторную батарею GB1, задающий генератор на элементах DD1.1 — DD1.3, двухразрядный счетчик на D-триггерах DD2.1, DD2.2, двойной четырехканальный мультиплексор DA1 и емкостный накопитель-делитель на конденсаторах С2 — С5.

При наличии напряжения в бортовой сети устройство работает в режиме деления ее напряжения и подзарядки батареи GB1. Буферный режим обеспечен двунаправленным мультиплексором DA1, который поочередно подключает батарею параллельно одному из конденсаторов С2 — С5 емкостного делителя напряжения. В результате батарея заряжается до напряжения, равного четверти напряжения бортовой сети.

После пропадания напряжения в сети преобразователь автоматически переходит в режим умножения напряжения резервной батареи. В этом режиме конденсаторы С2 — С5 через мультиплексор DA1 последовательно заряжаются от батареи GB1, а поскольку они соединены последовательно, на выходе устройства создается напряжение, равное учетверенному напряжению батареи, которое питает не только обслуживаемое электронное устройство, но и микросхемы самого преобразователя.

Сигналы управления мультиплексором поступают с выходов микросхемы DD2, на вход которой приходят тактовые импульсы с частотой следования около 5 кГц с генератора импульсов DD1. Поскольку в режиме умножения напряжения узлы преобразователя питаются его выходным напряжением, для первоначального запуска необходимо кратковременно вручную подать в цепь питания напряжение бортовой сети. После самовозбуждения генератора преобразователь работает от батареи GB1.

Если устройство предполагается использовать в качестве резервного источника питания электронных часов, генератор на элементах микросхемы DD1 может и не понадобиться: его вполне можно заменить задающим генератором часов. Это позволит снизить потребляемый преобразователем ток до 10...20 мкА.

При использовании в батарее GB1 трех соединенных последовательно аккумуляторов Д-0,25 выходное напряжение преобразователя на нагрузке сопротивлением 68 кОм (ток нагрузки — 150 мкА) равно 10,1 В, а в режиме холостого хода — 10,8 В.

При установке устройства в автомобиле для аварийного питания часов на микросхемах серии К561 допускается подключение его к бортовой сети напряжением 12 В через развязывающий диод, предотвращающий перегрузку преобразователя.

Напряжение резервной батареи не должно превышать 4 В, иначе амплитуда выходного (умноженного) напряжения превысит максимально допустимое напряжение входных сигналов для микросхем серии К561, что приведет к выходу их из строя.

Отсутствие в преобразователе развязывающих диодов и транзисторных ключей обеспечивает КПД, достигающий 80...90%.

Специализированные микросхемы, принцип работы которых основан на переключении конденсаторов, позволяют создать исключительно простые и эффективные преобразователи напряжения, На рис. 3.7 показано использование управляемых ключей и переключаемого конденсатора С1 для получения инверсного напряжения. При подаче на вход устройства управляющего сигнала прямоугольной формы (или формирования такого сигнала прямо в самой микросхеме для максимального упрощения преобразователя) вначале замкнуты ключи S1 и S3, ключи S2 и S4 — разомкнуты. Конденсатор С1 соединен с источником питания и заряжен от него. В следующий такт работы преобразователя ключи S1 и S3 разомкнуты, а ключи S2 и S4 — замкнуты. Конденсатор С1 положительно заряженной обкладкой соединяется с общей шиной, отрицательно заряженной присоединяется к выходному конденсатору (конденсатору фильтра) С2, соединенному с нагрузкой. В итоге к конденсатору С2 и сопротивлению нагрузки будет подключен конденсатор С1, на выходе устройства будет получено напряжение инвертированной полярности.

На таком принципе основана работа микросхем МАХ828, МАХ829 фирмы MAXIM, ICL7660A, ICL7660S, ICL7662 фирмы Harris Semiconductors (или ее отечественного аналога КР1168ЕП1), LM2664 фирмы National Semiconductor и др.

Рис. 3.7. Получение инверсного напряжения на основе управляемых ключей.

Рис. 3.8. Цоколевка микросхем МАХ828, МАХ829.

Микросхемы МАХ828, МАХ829, цоколевка которых приведена на рис. 3.8, работают с частотами переключения 12 и 35 кГц, соответственно, причем на вход для преобразования и питания микросхем можно подавать напряжение 1,5...5,5 В. Выходной ток может доходить до 25 мА.

На рис. 3.9 показана типовая схема включения микросхем МАХ828, МАХ829. Преобразователь помимо самой микросхемы содержит лишь два конденсатора.

Рис. 3.9. Типовая схема включения микросхем МАХ828 и МАХ829.

Рис. 3.10. Схема для получения выходных напряжений -U и +2U.

На рис, 3.10 показана возможность получения от этих микросхем одновременно инвертированного выходного напряжения и второго выходного напряжения, примерно равного удвоенному напряжению питания [3.5].

Принцип работы микросхем ICL7660S (КР1168ЕП1) аналогичен рассмотренному выше, однако внутреннее строение и цоколевки этих микросхем отличаются. Входное напряжение (напряжение питания этих микросхем) в зависимости от модификаций может быть от 1,5 до 10 (12) В. Рабочая частота переключения конденсаторов — 10 кГц. При работе микросхем для преобразования малых напряжений (1,5...3 В), их вывод 6 замыкают на общий провод. Выходной ток может достигать в зависимости от уровня преобразуемого напряжения 10 мА и более.

Типовая схема включения микросхем ICL7660S (КР1168ЕП1) приведена на рис. 3.11. Для увеличения нагрузочной способности этих микросхем допускается неограниченное наращивание числа параллельно включенных микросхем (рис. 3.12), а для увеличения выходного напряжения — каскодное включение в соответствии с рис. 3.13.

Рис. 3.11. Типовая схема включения микросхем ICL7660S (КР1168ЕП1).

Рис. 3.12. Способ повышения нагрузочной способности преобразователей.

Рис. 3.13. Способ повышения выходного напряжения преобразователей.

Рис. 3.14. Схема удвоителя напряжения на микросхеме ICL7660S (КР1168ЕП1).

Микросхемы ICL7660S (КР1168ЕП1) могут быть использованы для удвоения напряжения питания (рис. 3.14), для получения удвоенного напряжения положительной полярности и инвертированного напряжения (рис. 3.15).

Рис. 3.15. Схема преобразователя напряжения на микросхеме ICL7660S (КР1168ЕП1).

Рис. 3.16. Способ получения искусственной средней точки.

Рис. 3.17. Схема микромощного инвертирующего преобразователя напряжения на микросхеме LTC1144.

Микросхемы ICL7660S (КР1168ЕП1) могут быть использованы для создания искусственной средней точки. Для этого микросхему следует включить как показано на рис. 3.16. При этом работает внутренний генератор микросхемы, и конденсатор С1 поочередно подключается сначала к источнику питания, затем к конденсатору С2, после чего вновь к источнику питания и в заключение к конденсатору СЗ. Нагрузка устройства может быть несимметричной и для одного из плеч даже отсутствовать. При этом, разумеется, будет наблюдаться неравенство выходных напряжений.

Микромощный инвертирующий преобразователь напряжения (рис. 3.17), выполнен на специализированной микросхеме LTC1144, предназначенной для переключения конденсаторов. Микросхема выполнена по КМОП-технологии. Ее входное напряжение может достигать 20 В. При подаче на вход микросхемы напряжения 15 В на выходе формируется напряжение противоположной (отрицательной) полярности. При изменении тока нагрузки от 0 до 50 мА выходное напряжение снижается с 15 В до 12,6 В.

Собственный ток потребления преобразователя не превышает 1,2 мА, что обеспечивает высокую эффективность преобразования. В неактивном состоянии микросхема потребляет ток до 8 мкА.

Преобразователь напряжения на переключаемых конденсаторах с микросхемой LT1054 (рис. 3.18) также обеспечивает на выходе напряжение противоположной полярности. При минимальном входном напряжении 6,5 В микросхема LT1054 может вырабатывать выходное стабильное напряжение -5 В при токе нагрузки до 100 мА. Максимальное входное напряжение может достигать 20 В.

Рис. 3.18. Схема преобразователя напряжения на микросхеме LT1054.

Микросхема LT1026 (рис. 3.19) предназначена для создания двухполярных источников питания ±5 В. При минимальном токе нагрузки и входном напряжении 5 В выходные напряжения преобразователя составляют 9 В. При возрастании тока нагрузки от 0 до 15 мА выходные напряжения плавно снижаются до 6 В. Преобразователь содержит несколько навесных конденсаторов небольшой емкости и габаритов.

Еще один тип преобразователей на переключаемых конденсаторах, имеющий иную схему перекачки заряда, может быть осуществлен по функциональной схеме, показанной на рис. 3.20. Это удвоители-инверторы напряжения. К ним относятся, например, микросхемы типа МАХ868 и им подобные.

Рис. 3.19. Формирование двухполярного напряжения на микросхеме LT1026.

Рис. 3.20. Принцип получения удвоенного напряжения.

Принцип удвоения/инверсии напряжения ясен из рис. 3.20. Вначале конденсаторы С1 и С2 подключены параллельно источнику питания. В следующий такт они включаются уже последовательно и в другой полярности подключаются к сопротивлению нагрузки и конденсатору фильтра С.

Микросхемы работают при подводимом напряжении питания 1,5...5,5 В на частоте 450 кГц (300...600 кГц). Выходной ток может достигать 30...35 мА, а выходное отрицательное напряжение регулироваться в пределах (1...2)UnMT

Типовое включение микросхемы МАХ868 для получения выходного напряжения -7,5 В и -3,3 В при напряжении питания +5 В показано на рис. 3.21 и 3.22, соответственно.

Для микросхем типа МАХ619 (рис. 3.23), также работающих с использованием переключаемых конденсаторов по принципу перекачки заряда, входное напряжение может быть в пределах токе 75 мА и максимальном — 150 мА. Выходное напряжение преобразователя стабилизировано на уровне 5 В при токе нагрузки до 60 мА.

2,0...3,6 В при потребляемом преобразователем номинальном

Рис. 3.21. Типовое включение микросхемы МАХ868.

Рис. 3.22. Вариант типового включения микросхемы МАХ868.

Рис. 3.23. Схема преобразователя напряжения на микросхеме МАХ619 или МАХ662А.

Микросхема аналогичного назначения МАХ662А работает при повышенных входных и выходных напряжениях: входное 4,75...5,5 В; выходное — стабилизированное, 12 Б±5% при токе нагрузки до 30 мА.

Микросхемы МАХ619 и МАХ662А могут включаться-отклю-чаться логическим уровнем сигнала, подаваемого на вывод SHDN микросхемы.

Схема импульсного понижающего преобразователя напряжения, выполненного на основе специализированной микросхемы LTC1911 фирмы Linear Technologies, показана на рис. 3.24.

Рис. 3.24. Понижающий преобразователь напряжения на коммутируемых конденсаторах.

При подаче на вход преобразователя напряжения в пределах 2,7...5,5 В на выходе получается стабилизированное напряжение 1,5 В±4% при токе нагрузки до 250 мА. КПД устройства намного выше КПД обычных (линейных) преобразователей напряжения и изменяется в пределах от 60 до 85% в зависимости от тока нагрузки. Собственный ток, потребляемый микросхемой, не превышает 180 мкА.

Преобразователь выполнен на основе переключаемых с частотой до 1,5 МГц внешних (навесных) конденсаторов С2 и СЗ. Пульсации выходного напряжения при максимальном токе нагрузки не превышают 12 мВ от пика до пика. Электролитические конденсаторы С1 и С4 должны быть типа К53. Параллельно им рекомендуется подключить керамические конденсаторы емкостью в доли мкФ.

Источник: Шустов М. А. Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения.