источников питания на пере-ключаемых конденсаторах

Целью работы является исследование источников питания на пере-ключаемых конденсаторах, изучение их основных параметров и характеристик, моделирование типовых режимов работы преобразователей. Работа защищалась в марте 2016 года,Смоленский энерго институт,оценка-отлично
...

Содержание
Введение
ГЛАВА 1 ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ НА ПЕРЕКЛЮЧАЕМЫХ КОН-ДЕНСАТОРАХ
1.1 Устройства на переключаемых конденсаторах……………………....стр.6
1.2 Фильтры на переключаемых конденсаторах………………………....стр.9
1.3 Принцип действия источников питания на переключаемых конденсаторах………………………………………………………………стр.11
1.4 Методы улучшения характеристик преобразователей на переключаемых конденсаторах……………………………………………………………….стр.13
1.5 Методы уменьшения входных пульсаций напряжения………………стр.16
ГЛАВА 2 МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ
2.1 Инвертор напряжения на переключаемых конденсаторах………….стр.20
2.2 Удвоитель напряжения на переключаемых конденсатах…………....стр.22
2.3 Понижающий преобразователь на переключаемых конденсаторах...стр.25
2.4 Импульсные источники питания……………………………………….стр.27
2.5 Моделирование работы на примере преобразователя ИС LTC3200..стр.29
Заключение…………………………………………………………………..стр.35
Список использованных источников………………………………………стр.37
Приложения…………………………………………………………………стр.39

Введение
Конденсаторы, наряду с резисторами, являются одними из самых распространенных элементов в радиотехнических и электронных устройствах. Практически не существует устройств, в которых бы не применялись конденсаторы. Прежде всего, конденсаторы используются в качестве фильтров в выпрямителях и стабилизаторах напряжения (любой блок питания содержит в себе конденсаторы). Конденсаторы разрешают создавать временные интервалы нужной выдержки и частоты в аналоговых схемах разнообразных генераторов. Первый прототип современного конденсатора возник в середине 18 века в Нидерландах. Питер ван Мушенбрук в собственных опытах использовал стеклянную банку, выложенную внутри и снаружи оловянной фольгой (алюминий в те времена не использовался), з аряд которой осуществлялся электрофорной машиной (единственный источник получения электрического тока в те времена). Позднее это устройство назовут лейденской банкой. Устройство современного конденсатора подобно устройству лейденской банки: две обкладки, меж которыми находится диэлектрик
В настоящее время в связи с миниатюризацией электронных компонентов и бурным развитием рынка переносных устройств с батарейным питанием все более привлекательными становятся преобразователи с накачкой заряда. Усилия разработчиков преобразователей, направленные на устранение главных недостатков: малой нагрузочной способности, повышенных пульсаций и отсутствия стабилизации выходного напряжения, привели к созданию ряда весьма удачных микросхем с переключаемыми конденсаторами.
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 дипломной работе рассматриваются принципы работы таких преобразователей, их технические характеристики и варианты применения.
Актуальность работы обусловлена тем, что преобразователи напряжения на переключаемых конденсаторах все чаще используются в схематехнике портативных приборов, а моделирование работы источников питания позволяет детально изучить возможные режимы работы устройства в целом для правильного выбора компонентов схемы, что обеспечивает эффективную работу преобразователя.
Целью работы является исследование источников питания на пере-ключаемых конденсаторах, изучение их основных параметров и характеристик, моделирование типовых режимов работы преобразователей.
В данной работе были решены и поставлены следующие задачи:

- рассмотреть устройства на переключаемых конденсаторах;
- рассмотреть применение интеграторов с переключаемыми конденсаторами в ИМС фильтров;
- изучить принцип действия источников питания на переключаемых конденсаторах;
- рассмотреть методы улучшения характеристик преобразователей на переключаемых конденсаторах;
- рассмотреть методы уменьшения входных пульсаций напряжения на ПК;
- рассмотрена базовая схема инвертора напряжения на переключаемых конденсаторах ;
- изучен понижающий преобразователь на переключаемых конденсаторах;
- рассмотрен импульсивный источник питания на примере преобразователя LTC3200

На рис. 1.3 (Приложение В) показан иной вариант расположения ключей, позволяющий на выходе схемы с накачкой заряда получать отрицательное напряжение, почти равное по абсолютной величине положительному входному. На рис. 1.4 (Приложение Г) изображена схема понижающего преобразователя. Выходное напряжение меньше, чем входное, за счёт изменения коэффициента заполнения. В выходной конденсатор может быть передана не вся накопленная энергия. На процесс переключения влияет эквивалентное сопротивление схемы, зависящее от частоты переключений и относительных величин ёмкостей конденсаторов.Схемы на переключаемых конденсаторах имеют некоторые недостатки: малая нагрузочная способность, повышенные пульсации и отсутствие стабилизации выходного напряжения. 1.4 Методы улучшения характеристик преобразователей на переключаемых конденсаторах Как уже отмечалось в пункте 1.3, схемы на ПК имеют некоторые недостатки, такие как: малая нагрузочная способность, повышенные пульсации и отсутствие стабилизации выходного напряжения. 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 работе рассматрим 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 рисунке 1.5 (Приложение Д)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 рисунке 1.6(Приложение Е)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 VOUT 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 Uвых - напряжение на выходе преобразователя при токе нагрузки, равном i; Uвых.ид. - напряжение на выходе идеального преобразователя (для инвертора Uвых.ид.=-Uвх).Из выражения (2) видно, что высокое значение коэффициента преобразования достигается при Uвых(i) = Uвых.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 действиягде Рвых - мощность, отдаваемая в нагрузку; Рвх - 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.Рассмотрим электрические характеристики микросхемы IСL7660, включенной по тестовой схеме, приведенной на рисунке 1.7 (приложение Ж)Таблица 1.2 Краткие электрические характеристики микросхемы при V+=5B, СOSC=0ПараметрУсловие измеренияМинТипМахТок потребления, мкАRL = беск. 30250Напряжение питания, ВRL = 10К, LV - открытRL = 10К, LV=0В31,5 103,5Частота переключения,кГц 10 КПД, %RL = 5К9598 Эффективность преобразования, %RL = беск.9799,9 Типовые зависимости электрических характеристик микросхемы IСL7660 приведены на рисунке 1.8-1.11.Приложение З Приведенные зависимости позволяют уточнить параметры преобразователя для конкретных значений рабочих напряжений и потребляемых токов.Производители ИМС продолжают улучшать выходные характеристики источников питания с накачкой заряда. Частота коммутации и сопротивление замкнутого ключа — два основных параметра, определяющие рассеиваемую мощность и косвенно влияющие на КПД и максимальный выходной ток. Схемы на ПК имеют ЭПС, относящееся к характеристикам схемы с ПК и не являющееся реальным физическим сопротивлением. Улучшить характеристики схемы можно увеличив частоту коммутации или увеличив ёмкость конденсатора. Производительность будет расти только до тех пор, пока внутреннее физическое сопротивление не сравняется с эквивалентным сопротивлением схемы. Для получения большего выходного тока, как правило, используется параллельное соединение микросхем с накачкой заряда.1.5 Методы уменьшения входных пульсаций напряженияПреобразователи на ПК используют конденсаторы вместо катушек индуктивности для хранения и передачи энергии [13]. Отсутствие индуктивностей делает их применение предпочтительным в тех случаях, когда требуется вспомогательное питание с низким энергопотреблением, небольшая занимаемая площадь не печатной плате и минимальная высота.Для уменьшения размеров конденсаторов и оптимизации выходного тока в источниках питания на ПК повышают скорость переключения и уменьшают сопротивления ключей, что приводит к появлению шумов и пульсаций на входе питания. Этот шум может распространиться через входной вывод питания, создавая проблемы для схем, чувствительных к помехам. Методы сокращения пульсаций. Для уменьшения пульсаций необходимо изолировать источник пульсаций от остальных частей схемы. Для улучшения эффективности преобразования необходимо уменьшать ЭПС и выбирать номиналы конденсаторов как можно ближе к рекомендованным в спецификации на преобразователь. 1. Сокращение ЭПС входного конденсатора предполагает, что на вход преобразователя будут подключены N идентичных конденсаторов, включенных параллельно, при этом уровень входных пульсаций уменьшается в (N-1) раз. Этот подход не очень эффективен, так как увеличивается занимаемая площадь на печатной плате и значительно возрастает стоимость изделия. 2. Вместо большого количества конденсаторов возможно включение последовательно с выводом питания LC-фильтра. Дополнительная фильтрация препятствует распространению пульсаций через вывод питания в другие части схемы. Небольшая последовательная индуктивность вызывает минимальное падение напряжения между входной линией питания и преобразователем. Частота пульсаций равна частоте накачки (FCLOCK/2). Фильтры второго порядка имеют спад 40дБ/декада, так что, в идеале, частота среза фильтра (F–3дБ) должна быть выбрана равной минимум одной десятой частоты накачки. Рассчитать данную частоту можно по формуле (1.1): , (1.1)где - частота среза фильтра, Гц; - значение индуктивности фильтра, Гн; CFILTER=CIN – значение емкости фильтра, Ф.Катушка индуктивности должна иметь рабочий ток больший, чем 1,5∙IOUT. Фильтр должен иметь критическое затухание или близкое к нему, обеспечивая тем самым низкие значения сопротивлений RSOURCE и RLOAD. Для обеспечения критического затухания, то есть работы фильтра без выбросов на частоте среза, необходимо выполнить условие (1.2): , (1.2)где - внутреннее сопротивление источника питания, Ом; - значение индуктивности фильтра, Гн; CFILTER – значение емкости фильтра, Ф.Критическое затухание не является существенно необходимым для работы схемы, так как качество фильтрации остается приемлемым даже при некоторых выбросах на частоте среза. 3. Включение линейного регулятора LDO перед входом питания преобразователя приводит к эффективному подавлению пульсаций в остальной части системы. LDO работает с меньшими номиналами конденсаторов, чем эквивалентный по эффективности пассивный LC-фильтр. Однако рабочий ток LDO должен не менее чем вдвое превышать выходной ток преобразователя. 4. Подключение RC-цепочки к входу питания: применение RC-фильтра как такового на входе не рекомендуется, так как для обеспечения минимума потерь необходимо использовать RFILTER менее 5 Ом и большие CFILTER . Если питание осуществляется от батареи, то ее эффективная объемная емкость может служить дополнительной CFILTER. Поскольку объемная емкость имеет очень большую величину, то результирующий фильтр получается эффективным. Сумма ЭПС и сопротивления контакта батареи (~100мОм) ограничивает ослабление помех максимальным значением 21дБ, считая, что сопротивление источника пульсаций (RFILTER) равняется 1 Ом. Реальная батарея более сложна — с центральной объемной емкостью, изменяемыми ЭПС, ЭПИ и паразитной емкостью. На практике нужно добавить блокировочную емкость как можно ближе к RFILTER, тем самым обеспечивая высокочастотную развязку и низкое значение ЭПС (менее 50мОм) на батарею на частотах выше 250кГц. Типичное значение блокировочной емкости — 470нФ. Включение LC-фильтра в дополнение к входному конденсатору обеспечивает приемлемую защиту от пульсаций напряжения остальной части системы с минимальным эффектом влияния на КПД системы. Эффективная альтернатива для систем батарейного питания — включение добавочного резистора, занимающего минимальное место на печатной плате. Резистор применим и в небатарейных системах, требующих большие значения времени хранения информации в памяти при отключении питания.ГЛАВА 2 МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ 2.1 Инвертор напряжения на переключаемых конденсаторахРассмотрим типовые схемы включения микросхемы ICL7660 американской фирмы Intersil (Приложение К). Базовая схема инвертора напряжения на переключаемых конденсаторах приведена на рис. 2.1 (Приложение И). Цикл работы схемы состоит из двух тактов. В первом такте замкнуты ключи S1 и S3. Конденсатор С1 подключен к входу и заряжается от первичного источника до напряжения V1. Во втором такте замкнуты ключи S2 и S4. Конденсатор C1 отключен от входа и подключается в перевернутом состоянии к выходу устройства. Так осуществляется передача заряда на С2 (и в нагрузку). На выходе схемы напряжение устанавливается примерно равным -V1.Схема включения микросхемы в режиме инвертора напряжения приведена на рисунке 2.2 Приложение КИнвертор обеспечивает получение на выходе VOUT напряжения, равного -V+ в диапазоне 1,5В <= V+ <= 10В. В реальных условиях параметры инвертора отличаются от идеальных. Так, в соответствии с рис.4 при V+=8В, выходном токе, равном 50 мА, VOUT =-6В. Снижение выходного напряжения определяется выходным сопротивлением микросхемы Rвых, которое для рассмотренного выше случая составляет 60 Ом (рис.7).Выходное сопротивление микросхемы зависит от режима по постоянному току и от реактивного сопротивления конденсатора С1. (1)Так, для номинала С1=10мкф и частоты f=10кГц XC=3,18 Ом. Для исключения влияния конденсатора С1 на выходное сопротивление необходимо, чтобы ХС<вых.Для эксплуатации микросхемы в диапазоне 1,5В <= V+ <= 3,5В необходимо вывод LV (6) микросхемы соединить с общим проводом (на рисунке 2.2 (Приложение К) показано пунктирной линией).Снижение выходного сопротивленияДля снижения выходного сопротивления можно применить параллельное включение микросхем, которое показано на рисунке 2.3 (Приложение Л) Выходное сопротивление такой схемы зависит от числа параллельно включенных микросхем n и определяется с помощью выражения. (2)Из рисунка видно, что конденсатор С1 является индивидуальным для каждой микросхемы, а конденсатор С2 - общий. Рассмотренное включение микросхем позволяет повысить выходной ток, коэффициент преобразования и коэффициент полезного действия преобразователя.Каскадное включение микросхем Для повышения выходного напряжения можно применять каскадное включение микросхем, показанное на рисунке 2.4 (Приложение Л). Выходное напряжение такого преобразователя равно -nV+. Учитывая допустимый диапазон 1,5В <= V+ <= 10В число каскадно соединенных микросхем не должно превышать 6. 2.2 Удвоитель напряжения на переключаемых конденсатах Базовая схема повышающего преобразователя напряжения на ПК приведена на рис. 2.5 (Приложение М) Схема содержит четыре двунаправленных ключа S1—S4, генератор тактовых импульсов и схему управления ключами. С помощью конденсатора С1 осуществляется перенос заряда от входной цепи к выходной, а с помощью конденсатора С2 - поддержание напряжения на нагрузке во время заряда С1. Электрическую цепь из четырех ключей S1—S4 и конденсатора С1 (см. рис. 2.1) называют секцией переноса заряда. При работе схемы удвоителя напряжения (рисунке 2.5) в первом такте конденсатор C1 заряжается до напряжения V1 через ключи S2 и S4. Во втором такте C1 через ключи S1 и S3 включается последовательно и согласно с V1. При этом напряжение на конденсаторе С2 устанавливается равным примерно 2V1. Работу данной схемы преобразователя иллюстрируют графики выходного напряжения на холостом ходу и под нагрузкой, представленные на рисунке 2.6,2.7.Рисунок 2.6 – Зависимость входного и выходного напряжений схемы удвоителя на ПК от времениРисунок 2.7– Изменения пульсаций выходного напряжения схемы удвоителя при изменении тока нагрузкиОсновные характеристики (нагрузочная, передаточная), а также реакции выходного напряжения схемы на изменения тока нагрузки и входного напряжения приведены на рисунке 2.8-2.9.Рисунок 2.8 – Передаточная характеристика схемы удвоителя (UВЫХ = f (UВХ))Рисунок 2.9 – Нагрузочная характеристика схемы удвоителя (UВЫХ = f (IН))Рисунок 2.10 – Реакция выходного напряжения на импульсное изменение входного напряженияРисунок 2.11 – Реакция выходного напряжения на импульсное изменение тока нагрузкиАнализ полученных зависимостей показывает, что данный способ преобразования напряжения прост и эффективен. Для осуществления преобразования достаточно ИМС и двух конденсаторов. Однако выходное напряжение схемы не стабилизировано и определяется величиной входного напряжения, сильно зависит от тока нагрузки. Также от тока нагрузки существенно зависят пульсации выходного напряжения. Выход на режим и переходные процессы при изменении токов и напряжений в схеме идут довольно долго, следовательно, для улучшения быстродействия удвоителя необходимо принимать специальные меры. Также полученные характеристики свидетельствуют о небольшой нагрузочной способности преобразователя.2.3 Понижающий преобразователь на переключаемых конденсаторах Для преобразования напряжения одного уровня в меньшее напряжение [5] используется понижающий преобразователь на ПК рисунок 2.12 (приложение О). В общем случае схема преобразователя состоит из п однотипных диодно-емкостных нелинейных цепей, содержащих накопительный конденсатор СHi, зарядный VD3i, и два разрядных VDpi1 и VDpi2 диода, зарядный S3 и разрядный SР ключи, переключаемые синхронно и противофазно.Предположим, что входное напряжение UВХ подключено к выводам 1,2, а нагрузка, шунтированная емкостным фильтром Сф,— к выводам 3,4 схемы. На интервале замкнутого состояния ключа S3 все накопительные конденсаторы через диоды VD3 соединяются последовательно и каждый из них заряжается до напряжения в п раз меньше входного. При включении SР накопительные конденсаторы СНi, через соответствующие диоды VDpi1 и VDpi2 (где iϵ(0;n)) соединяются параллельно. В результате напряжение на нагрузке Urh=UВХ/n. Конденсатор Сф необходим для поддержания требуемого уровня выходного напряжения на интервале заряда накопительных конденсаторов.Если источник питания подключить к выводам 3,4, а нагрузку — к выводам 1, 2 схемы, то выходное напряжение будет в п раз выше входного.Рассмотрим схему преобразователя, понижающего входное напряжение в два раза рисунок 2.13(Приложение О). Схема понижающего преобразователя проста, но содержит большее число компонентов, чем схемы удвоителя и инвертора. В данной схеме не предусмотрена стабилизация выходного напряжения. Пульсации напряжения на выходе с повышением тока нагрузки увеличиваются, но данный недостаток может быть устранен подбором конденсатора фильтра. Входные и выходные напряжения ограничиваются лишь максимальными напряжениями используемых компонентов. В настоящее время усилия разработчиков источников питания на переключаемых конденсаторах направлены на устранение указанных выше недостатков простейших схем преобразователей, что позволяет создавать весьма удачные микросхемы регуляторов и стабилизаторов напряжения данного типа. Проведение же моделирования конструируемых устройств до их создания дает возможность предварительно оценить эффективность и перспективность разработки и ее дальнейшего применения. 2.4 Импульсные источники питания Производители интегральных микросхем (ИС) продолжают улучшать выходные характеристики преобразователей с накачкой заряда. Частота коммутации и сопротивление замкнутого ключа — вот два основных параметра, которые определяют рассеиваемую мощность и косвенно влияют на КПД и максимальный выходной ток. Схемы с накачкой заряда имеют эквивалентное последовательное сопротивление, которое определяется следующей формулой: RЕQ = 1 / FSWITCHCFLYING.   (2.