Эффективный удвоитель напряжения на основе обычных КМОП инверторов

Stephen Woodward, Радиолоцман №3-4/2024, ст.67

Когда конструкция нуждается во вспомо­гательных шинах питания, а связанные с ними токовые нагрузки невелики, самым про­стым, дешевым и эффективным способом их построения оказываются умножители на основе емкостных зарядовых насосов.

Наиболее простой из них — удвоитель напряжения на основе диодного насоса. Он состоит всего из двух диодов и двух конден­саторов, но имеет недостатки, связанные с необходимостью в отдельном источнике пря­моугольных импульсов для управления насо­сом, а также с тем, что выходное напряже­ние, как минимум, на два падения на диоде меньше, чем удвоенное напряжение шины питания. Чтобы избежать этой неэффективности и точно удвоить напряжение питания, требуются активные коммутаторы зарядово­гонасоса (обычно комплементарные поле­вые транзисторы).

КМОП микросхемы удвоителей напряже­ния доступны в продаже. Примером может служить MAX1682. Удвоитель хорошо рабо­тает в тех приложениях, где токи нагрузки не слишком велики, но он (и аналогичные устро­йства) не так уж дешев. При покупке штуками 1682 стоит почти $4, в связи с чем возникает соблазн посмотреть, сможем ли мы сделать лучше, учитывая, что стандартные микросхе­мы КМОП-коммутаторов (например, 74AC14) можно поштучно покупать за 50 центов.

План реализации этого начинается с Рисунка 1, на котором показан упрощенный эскиз КМОП логического инвертора.

Обратите внимание на входные и выход­ные ограничительные диоды. Они устанав­ливаются производителем главным образом для защиты микросхемы от повреждения электростатическими разрядами, но диод есть диод, и поэтому он может выполнять другие полезные функции. В свою очередь, p-канальный полевой транзистор предназна­чен для подключения шины V+ к выходу при выводе логической единицы, а работающий в паре с ним n-канальный — для подключения к выводу V- при выводе нуля. Но комплемен­тарные МОП-транзисторы во включенном состоянии охотно проводят ток в любом направлении. Таким образом, ток, идущий от вывода к шине, работает так же хорошо, как и от шины к выводу.

На Рисунке 2 показано, как эти основные функции элементов КМОП связаны с накач­кой заряда и умножением напряжения.

Представьте себе два инвертора, соеди­ненных между собой, как показано на Рисун­ке 2, с прямоугольными управляющими импульсами, подаваемыми на вход U1 непосредственно, а на вход U2 — через разде­лительный конденсатор C_C; при этом вход­ные ограничительные диоды элемента U2 обеспечивают восстановление постоянной составляющей.

Рассмотрим полупериод прямоугольных импульсов в состоянии «лог. 1». Оба n-ка­нальных полевых транзистора элементов U1 и U2 включатся, соединяя с шиной V+ вывод конденсатора C_P, подключенный к U2, и с зем­лей — вывод, подключенный к U1. C_P будет заражаться до уровня V+. Обратите внима­ние на обратную полярность тока, проходя­щего через выходной вывод U2, обусловлен­ную тем, что благодаря конденсатору C_P уро­вень напряжения на этом выводе оказывает­ся отрицательным.

Затем рассмотрим, что произойдет, когда управляющий сигнал перейдет в состояние «лог. 0».

P-канальные полевые транзисторы вклю­чатся, а n-канальные закроются. Это застав­ляет заряд, ранее принятый конденсатором C_C, стекать в C_F через выход и вывод V+ эле­мента U2, тем самым завершая цикл накачки, который доставляет квант положительного заряда в конденсатор C_F. Обратите внима­ние, что через U2 снова протекает обратный ток. Этот цикл повторится при следующем изменении уровня управляющего сигнала, и так далее, и так далее.

Во время запуска, пока на конденсаторе C_F не накопится напряжение, достаточное для нормальной работы внутренних схем логического элемента U2 и управления затворами полевых транзисторов, ограничи­тельные диоды элемента U2 служат для выпрямления сигнала, управляющего кон­денсатором C_P, и начинают заряжать C_F до тех пор, пока им на смену не придут полевые транзисторы.

Вот и вся теория. Превращение Рисунка 2 в полноценный удвоитель напряжения пока­зано на Рисунке 3. С вывода 2 триггера Шмитта 74AC14 (U1) на схему поступает частота накачки 100 кГц. Этот сигнал подается на пять оставшихся логических элементов U1 и шесть логических элементов U2 (через разделительный кон­денсатор C2). Положительный заряд перено­сится через конденсатор C3 в U2 и накапли­вается в конденсаторе фильтра C5.

Несмотря на то, что для U2 функция гисте­резиса Шмитта на самом деле не нужна, для повышения КПД используется такая же мик­росхема AC14, обеспечивающая синхрон­ность переноса заряда.

Некоторые характеристики (V+ = 5 В):

• Выходное сопротивление выхода 10 В: 8.5Ом;
• Максимальный непрерывный ток нагрузки: 50 мА;
• КПД при токе нагрузки 50 мА: 92%;
• КПД при токе нагрузки 25 мА: 95%;
• Мощность, потребляемая без нагрузки: 440 мкВт;
• Время запуска: меньше 1 мс.

Что же произойдет, если простого удвое­ния напряжения V+ окажется недостаточно? Как показано на Рисунке 4, эта схема может быть легко каскадирована для создания эффективного утроителя напряжения. Воз­можно также расширение до более высоких коэффициентов умножения.