Convertor ridicător de tensiune: Generarea de tensiuni auxiliare folosind pompe de alimentare externe

30 APRILIE 2009

Pompa de alimentare pozitivă externă furnizează în configuraţia din figura 1 o tensiune de maximum 3 ori cât ieşirea de tensiune a convertorului ridicător de tensiune VS, adică 45V, înainte de a fi stabilizată la o tensiune mai mică VGH de 27V, potrivită pentru aplicaţie. Etajul de stabilizare al pompei de alimentare negativă stabilizează în acest caz tensiunea de ieşire VGL la -7V de la un -15V generat de convertorul ridicător de tensiune.

Pompa de alimentare – Caz ideal
Pompa de alimentare pozitivă
Operarea driverului pompei de alimentare poate fi înţeleasă mai bine cu ajutorul figurii 2, care prezintă un extras din aplicaţia tipică al circuitului pompei de alimentare pozitive. În modul dublat, pompa de alimentare ar genera 2*VS. Următorul studiu este realizat în mod triplu.
Explicaţiile din această secţiune descriu comportamentul pompei de alimentare în operarea la stare stabilă, care este mai simplu de înţeles. Pentru început, se va presupune că toate componentele sunt ideale şi că factorul de umplere al convertorului ridicător de tensiune este de 50%. R1 din figura 2 este 0 Ohm şi se află acolo doar pentru a măsura curentul care trece prin condensatoarele C1 şi C2.
În timpul de operare (on-time), cu VSW = 0V, condensatorul flotant C1 este încărcat la VS prin dioda D1. În acelaşi timp şi în mod similar, condensatorul de stocare C3 încarcă C2 până la 2*VS prin D3. Diodele D2 şi D4 sunt blocate. Din moment ce ieşirea VCPP nu mai este alimentată, condensatorul de ieşire C4 trebuie să furnizeze curentul de sarcină necesar circuitului: 20mA. În timpul de oprire (off-time), tensiunea nodului comutat creşte şi această tensiune VSW se adaugă la energia stocată în condensatoarele flotante C1 şi C2, ridicând C3 şi C4 respectiv la tensiunile 2*VS şi 3*VS (cu VSW = VS). Dioda D2 devine polarizată direct şi permite trecerea curentului în C3 care este încărcat cu până la 2*VS (după ce tensiunea de la borne a scăzut în timpul on-time). În acelaşi fel, D4 conduce şi C3 încarcă condensatorul de ieşire până la valoarea de 3*VS, şi furnizează simultan circuitului de ieşire sarcina necesară de 20mA. În cele din urmă, în timpul off-time inductorul alimentează cu 80mA condensatoarele flotante şi cu 40mA condensatorului de ieşire al convertorului ridicător de tensiune care s-a descărcat în C1 în perioada on-time. Curentul furnizat de convertorul ridicător de tensiune este astfel egal cu de 3 ori curentul de ieşire al pompei de alimentare pozitive, adică 60mA pentru acel exemplu.

Pompa de alimentare negative
Pompa de alimentare negativă externă funcţionează de asemenea cu două etaje (pompa de alimentare şi stabilizarea). Pompa de alimentare furnizează o tensiune negativă de ieşire de -VS (fig. 1) şi etajul de stabilizare reglează tensiunea de ieşire VGL la nivelul cerut. Operarea driverului pompei de alimentare este evidenţiată mai bine cu ajutorul figurii 3.
Pentru aceleaşi motive definite anterior, exemplificarea următoare descrie comportamentul pompei de alimentare negative în operarea la stare stabilă cu presupunerea că toate componentele sunt ideale, că factorul de umplere al convertorului ridicător de tensiune este de 50% şi că R1 este o rezistenţă de 0 Ohm. Pentru o mai bună înţelegere, să poate începe cu off-time. Tensiunea nodului comutat fiind ţinută ridicată ca tensiunea VS, condensatorul flotant C6 este încărcat prin D6 până la VSW =VS. în acest timp, condensatorul de ieşire C7 asigură curentul de sarcină pentru ieşire, 20mA.
În timpul on-time, din moment ce VSW = 0V, terminalul pozitiv de mai devreme al condensatorului flotant C6 este conectat la masă, iar tensiunea stocată pe el este inversată cu un offset de -VS. Dioda D7 este astfel polarizată direct, permiţând curentului să treacă şi să alimenteze circuitul de ieşire. Într-un mod similar cu pompa de alimentare pozitivă, curentul mediu furnizat de convertorul ridicător de tensiune pentru a alimenta cu 20mA pe VCPN este egal cu de două ori curentul de ieşire al pompei de alimentare negative, adică 40mA pentru acel exemplu.

Pompa de alimentare – Aplicaţia în caz real
Exemplele din figura 2 şi 3 sunt tratate cu un factor de umplere şi componente ideale. În aplicaţiile reale, este improbabil ca factorul de umplere să fie vreodată 50%, iar componentele externe au pierderi care vor trebui luate în calcul pentru a putea alege cea mai bună configuraţie posibilă.
Influenţa factorului de umplere
În funcţie de tensiunea de intrare şi de tensiunile de ieşire VGL, VGH şi VS de care are nevoie utilizatorul, factorul de umplere va fi fie mai mult fie mai puţin de 50%. Din moment ce condensatoarele sunt componente care blochează curentul continuu, curentul mediu care trece prin acestea rămâne nul după fiecare perioadă de timp, iar amplitudinea curentului care va schimba şi va descărca condensatoarele flotante va depinde de durata timpilor ton şi toff. În cazul în care D = 50% (ton = toff – fig. 2 şi fig. 3), curentul cate trece în ambele sensuri este egal şi perfect împărţit între cicluri.
Condensatoarele flotante sunt responsabile pentru acumularea de sarcină şi alegerea unei capacităţi prea mici va creşte impedanţa de ieşire a VSW şi VS cauzând pierderi de tensiune la ieşirile pompelor de alimentare. De obicei, dimensionarea condensatorilor flotanţi si de stocare cu o capacitate de 470nF este destul de bună. Reactanţa capacitivă* a condensatoarelor flotante ar trebui să fie cât mai mică posibil pentru a reduce pierderile. Valoarea unui condensator de ieşire între 470nF şi 1µF este un început bun pentru majoritatea aplicaţiilor, dar valoarea sa depinde în mare parte de curentul de ieşire, riplul permis tensiunii de ieşire sau răspunsul tranzitoriu al sarcinii. Pentru factori de umplere ridicaţi (perioadă on-time mare), sunt recomandaţi ieşire şi condensatori de stocare mai mari pentru a reduce mai mult riplul. Într-o manieră similară, din moment ce fiecare diodă Schottky ar trebui să poată bloca o tensiune VS, acestea ar trebui alese astfel încât tensiunea lor DC inversă să fie cel puţin VS, cu un curent nominal mai mare decât curentul care trece prin acestea.

Comportarea curentului
După cum s-a precizat anterior, componentele reale nu prezintă un comportament ideal. Condensatoarele, dacă nu sunt deja încărcate la valoarea nominală trag un curent mare, care poate atinge câţiva amperi dacă nu se iau măsuri speciale. O rezistenţă R1 (fig. 1) plasată între nodul de comutare al convertorului ridicător de tensiune şi terminalul condensatoarelor flotante ajută la reducerea curentului. Dacă este folosită o rezistenţă de 1 Ohm, amplitudinea curentului este încă la fel de mare, 250mA (fig. 4a), în timp ce într-un caz perfect curentul ar trebui să fie doar 40mA.
Rezultatul simulării din figura 4b arată curentul de semnal dreptunghiular care ar trebui să treacă în mod normal prin condensatorul flotant. Această formă de semnal poate fi realizată cu o rezistenţă de 100 Ohm. Totuşi, pierderile datorate acestei rezistenţe ridicate nu sunt neglijabile, iar tensiunea de ieşire poate să nu fie atinsă deoarece condensatoarele nu mai sunt încărcate până la VS, ci până la VS – VR1. În mod normal, R1 = 10 Ohm este suficient pentru a limita curentul fără pierderi prea mari.

Etajul de stabilizare
Etajul de stabilizare, al cărui tensiune de ieşire este selectabilă, oferă utilizatorului flexibilitatea de a alege o tensiune de ieşire corespunzătoare pentru aplicaţie.
S-a văzut cum îşi formează tensiunea o pompă de alimentare pozitivă şi una negativă. Următorul etaj (fig. 5 – similar pentru pompa de alimentare negativă) stabilizează tensiunea de ieşire VGH şi VGL prin disiparea excesului de energie în tranzistorul bipolar. Dioda Zener menţine tensiunea la valoarea dorită de ieşire, iar tranzistorul bipolar este folosit de asemenea pentru a reduce consumul de curent. În sfârşit, tensiunea de ieşire pe VGH şi VGL va fi egală cu VZ-Vbe. Figura 6a şi 6b prezintă stabilizarea tensiunii de ieşire măsurată înainte şi după etajul de stabilizare. Se poate observa că sistemul este în parametri de stabilizare excelenţi atâta timp cât tensiunea generată pe VCPP şi VCPN rămâne mai mare decât tensiunea de ieşire stabilizată, adăugată la căderea de tensiune de pe tranzistor. Generarea de mai multă putere este posibilă cu componente corespunzătoare, prin creşterea pompelor de alimentare de la modul triplu la cuadruplu de exemplu şi prin selectarea componentelor în funcţie de curent şi tensiune. Curentul maxim posibil de ieşire depinde de asemenea de suma întregului consum de curent al sistemului care nu ar trebui să depăşească limita de curent a convertorului ridicător de tensiune. În locul utilizării configuraţiei din figura 5 pentru stabilizare, poate fi folosit în schimb un tip de stabilizator şunt ca TL432.
Pompele de alimentare externe au avantajul că furnizează utilizatorului o mare flexibilitate cu performanţă ridicată şi cost redus. Generarea unor pompe de alimentare de putere mare, pozitive sau negative, poate fi realizată uşor cu convertoare ridicătoare de tensiune individuale precum TPS61085 sau TPS61087. Pentru o proiectare mai simplă, selectarea componentelor poate fi de asemenea estimată folosind instrumentul de simulare TinaTI™, disponibil la www.ti.com.

Contact:
Irina Marin
irina.marin@ecas.ro
ECAS ELECTRO
Tel: 021 204 81 00
Fax: 021 204 81 30
birou.vanzari@ecas.ro

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre