Независимо от того, о каком источнике питания портативного устройства идет речь, чем ниже напряжение, при котором запускается схема, тем лучше. Более низкое напряжение запуска также увеличивает время работы. Кроме того, чтобы полностью разрядить автономный источник питания, схема должна быть способна работать при минимальных напряжениях и токах.
Существующие повышающие схемы могут запускаться и разряжать источник питания при его напряжении до 1 В, но при этом в батарее остается слишком много неиспользуемой энергии. Другим источникам питания, таким как солнечные батареи или микротурбины, для запуска при напряжении, намного меньшем, чем 1 В, требуются специальные схемы. Например, напряжение на выходе одиночного солнечного элемента при полной освещенности составляет лишь 0.58 В.
Эту проблему решает схема, показанная на Рисунке 1. Она выполняет двухдроссельное повышающее преобразование при пусковом напряжении всего 260 мВ. Выходное напряжение индуктивных повышающих DC/DC схем выше входного. Балансная схема повышения напряжения на германиевых транзисторах проста, и хотя в ней используются всего два n-p-n транзистора, она безоговорочно запускается при очень низком напряжении. Для запуска предлагавшихся ранее повышающих схем на кремниевых транзисторах требовалось порядка вольта и намного больше компонентов.
 | |
| Рисунок 1. | Эта повышающая схема без обратной связи запускается при входном напряжении всего 260 мВ. |
Схема работает как автоколебательный мультивибратор. Устойчивая генерация начинается с входного напряжения VIN, немного превышающего напряжение база-эмиттер (VBE) транзистора Q2. В результате создается положительный ток базы Q2
протекающий через дроссель L1, и транзистор Q2 включается, соединяя L2 с землей. Транзистор Q1 закрыт, и ток дросселя L1 очень мал. Диоды D1 и D2 закрыты. Энергия, запасенная в магнитном поле дросселя L2, увеличивается по мере увеличения тока L2 с положительной производной di/dt. По мере увеличения этого тока он также протекает через сопротивление насыщенного транзистора Q2. Напряжение коллектора Q2 становится достаточно большим, чтобы включить транзистор Q1.
Резистор R2 соединяет базу Q1 с коллектором Q2. Кроме того, R2 ограничивает базовый ток Q1. После включения транзистора Q1 ток, управлявший базой Q2, теперь замыкается на землю, и Q2 выключается. Выключение Q2 позволяет энергии обратного хода дросселя L2 открыть диод D2 и течь в нагрузку (R3) по мере того, как магнитное поле L1 ослабевает. Диод D1 остается закрытым. Когда L2 разряжается, диод D2 снова выключается. По мере увеличения тока дросселя L1 его магнитное поле нарастает при положительной производной di/dt. Этот ток протекает через сопротивление насыщения транзистора Q1. Напряжение коллектора Q1 становится достаточно большим, чтобы включить транзистор Q2.
Напряжение базы транзистора Q2 связано с коллектором Q1 через резистор R1, который также ограничивает ток базы Q2. После включения транзистора Q2 ток, управлявший базой Q1, замыкается на землю, и Q1 выключается. Выключение Q1 позволяет энергии обратного хода дросселя L1 открыть диод D1 и течь в нагрузку (R3) по мере того, как магнитное поле L2 ослабевает. Диод D2 остается закрытым. Когда L1 разряжается, диод D1 снова выключается.
Это автоколебательный процесс повторяется до тех пор, пока напряжение батареи не упадет ниже напряжения база-эмиттер транзисторов Q1 или Q2. По мере увеличения входного напряжения увеличивается энергия, накопленная в дросселях L1 и L2, и, следовательно, увеличивается среднее напряжение на R3.
Период и скважность автоколебаний определяются индуктивностью дросселей L1 и L2, сопротивлением насыщения транзисторов Q1 и Q2, а также характеристиками переключения Q1 и Q2. Выбором соответствующих значений индуктивности и сопротивления схема может быть оптимизирована для конкретных величин нагрузки и входного напряжения. Для показанной на Рисунке 1 схемы типичная частота переключения составляет 88 кГц (при VIN = 0.5 В). При индуктивностях 100 мкГн частота уменьшается до 60 кГц, а при 39 мкГн – увеличивается до 152 кГц.
Преимущество этой сдвоенной повышающей конфигурации по сравнению с несимметричной конфигурацией заключается в том, что уровень выходных пульсаций ниже, а входной источник не выключается во время обратного хода. Для солнечной батареи или микротурбины длительность нерабочей части цикла неоптимальна.
На Рисунке 2 изображены передаточные характеристики схемы для разных величин нагрузки. Обратите внимание, что эта повышающая схема не имеет обратной связи, поэтому стабилизировать величину выходного напряжения или тока она не может. Однако в некоторых приложениях стабилизация и не требуется.
 | |
| Рисунок 2. | Ожидаемая зависимость среднего выходного напряжения от входного напряжения. Для легких нагрузок более 100 кОм выходное напряжение свыше 4.0 В поддерживается при входных напряжениях от 0.3 В. |
Например, эта схема может напрямую управлять счетверенным компаратором LM2901 и счетверенным операционным усилителем LM2902. Другие приложения (логические схемы) требуют лишь ограничения верхнего значения напряжения, которое может быть выполнено с помощью шунтового регулятора или стабилитрона на выходе.
Но для достижения максимального КПД эту повышающую схему следует использовать только для временного питания полнофункциональной высокоэффективной микросхемы импульсного источника питания, подключив ее выход к слаботочному входу VCC микросхемы. Как только микросхема запустится, повышающую схему можно отключить. Сделать это можно, например, заменив резисторы R1 и R2 p-канальными полевыми транзисторами с p-n переходом (NTE326), а затем подтянув их затворы выше входного напряжения (VIN + 1.2 В).
Кроме того, входное напряжение схемы ограничено значением 2.0 В. Большее входное напряжение вызовет протекание чрезмерного тока в базах транзисторов Q1 и Q2, которые через R1, R2, L1 и L2 подключены непосредственно к VIN.
Несколько иная характеристика передачи получается, если эта схема управляет белым светодиодом, а не резистивной нагрузкой. Для нормальной работы белого светодиода обычно требуется напряжение 3.6 В при токе 20 мА; таким образом, если источником питания является щелочная батарея. необходима повышающая схема. Яркость светодиода напрямую зависит от среднего тока обратного хода, проходящего через диоды D1 и D2.
Измерения номинального тока светодиода при питании от щелочной батареи показали 3 мА при 0.53 В, 14 мА при 0.95 В, 26 мА при 1.19 В, 31 мА при 1.27 В и 50 мА при 1.53 В. Эти результаты были получены с дросселями Coilcraft DO1608C-683 и светодиодом NSPW500BS компании Nichia.
Во многих портативных электронных устройствах (таких как игрушки, КПК и т. д.) вы должны были бы выкинуть как «мертвую» каждую батарейку, напряжение на которой составляет около вольта. Но эта схема позволяет поддерживать светодиодную подсветку даже такими батарейками, а в случае использования аккумуляторов – обеспечить их более полный разряд.