Простой зарядовый насос повышает входное напряжение на 50%

Журнал РАДИОЛОЦМАН, сентябрь 2019

Eric Micko

Electronic Design

Эта схема зарядового насоса, в которой используется всего несколько диодов и конденсаторов, в отличие от обычных удвоителей, повышает входное напряжение в 1.5 раза

Микромощным устройствам иногда требуется несложная и недорогая схема, повышающая напряжение батареи, питающей систему, и часто это делается с помощью обычного удвоителя напряжения на основе зарядового насоса. Однако в тех случаях, когда удвоенное напряжение превышает требуемое напряжение системы, результирующее удвоение тока нагрузки будет чрезмерной платой с точки зрения ресурса батареи. В таких случаях более подходящим может быть умножитель напряжения на 1.5 (Рисунок 1).

Рисунок 1.	Выходное напряжение этой простой схемы повышения напряжения на коммутируемых конденсаторах в 1.5 раза больше входного.

Умножитель управляется микросхемой с КМОП выходом. При низком уровне этого выхода конденсаторы C1 и C2 соединены последовательно и заряжаются через D1-1 и D2-1. Когда уровень выходного сигнала высокий, эти конденсаторы параллельны, и C1 разряжается на конденсатор C3 через диоды D1-2 и D2-2, а C2 разряжается на C3 через D2-3. (Ток делится между C1 и C2, так как во время каждого цикла разряда конденсаторы, по существу, соединены параллельно, если не учитывать одного небольшого падения напряжения на диоде). Как и ожидалось, ток нагрузки на стороне повышенного напряжения, видимый со стороны входа, умножается в 1.5 раза.

Диоды Шоттки предпочтительнее обычных диодов из-за гораздо меньшего падения напряжения, способствующего повышению КПД. Три конденсатора могут быть одинаковой емкости, причем ее значение зависит от тока нагрузки, максимально допустимых пульсаций выходного напряжения и рабочей частоты. А тактовая частота, соответственно, является функцией первых двух из этих факторов наряду со значением емкости. Учитывая широкий диапазон доступных емкостей конденсаторов и тактовых частот, разработчик имеет возможность их гибкого выбора.

Например, предположим, что тактовая частота составляет 5 кГц, а требуемый ток нагрузки равен 100 мкА при максимальном размахе пульсаций 133 мВ. При такой тактовой частоте время для разряда конденсатора C3 составляет примерно 200 мкс (если не учитывать короткий импульс переноса заряда каждые 200 мкс). Первый цикл разряда (100 мкс) происходит после переноса заряда от С1 и С2, а вторым циклом разряда (также 100 мкс) является разряд самого С3. Во время второго цикла конденсатор C3 разряжается током нагрузки, а конденсаторы C1 и C2 заряжаются. Автономным разрядом C3 обусловлено около трех четвертей напряжения пульсаций. Таким образом, для уровня пульсаций 100 мВ

Во время первого цикла заряд передается от V_CC к C1 и C2 импульсом, длительность которого намного меньше времени разряда конденсатора C3. Предполагая, что выходное сопротивление R_OUT управляющей микросхемы равно 100 Ом, а емкости конденсаторов C1 и C2 одинаковы, время заряда (произведение емкости включенных последовательно конденсаторов на R_OUT) будет равно

(что намного меньше времени разряда конденсатора C3). Во время первого цикла четверть напряжения пульсаций возникает после переноса заряда в C3 из C1 и C2. Пульсации возникают из-за параллельного разряда трех конденсаторов. Поскольку ток нагрузки равен 100 мкА, а емкость трех параллельных конденсаторов составляет 0.3 мкФ, напряжение пульсаций равно

Таким образом, общие пульсации за первый и второй циклы составляют 133 мкВ.