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开关电容电压调节器提供电流增益的技术解决方案

来源:analog 发布时间:2023-10-23

摘要: 本设计思想描述了两种电路,使用逆变器将输入和输出之间的电流加倍,从而提高效率并消除散热问题。

开关电容电压逆变器通常用于从正输入电源产生负电源电压。负电源电流的大小等于从输入端引出的电流。本设计思想描述了两种电路,使用逆变器将输入和输出之间的电流加倍,从而提高效率并消除散热问题。

比线性效率更高

如果地脚和输出脚的角色互换(图1),逆变器将输入电压除以2。当输入电压大于所需输出电压的两倍时,该电路可用于代替线性稳压器,例如,调节12V至5V或3.3V。


图1所示 重新布线开关电容逆变器降压调节的结果是2的电流增益

电路的工作原理如图2所示。内部振荡器交替关闭和打开四个开关。在前半个周期中,开关1和2闭合,电流从输入流向输出,对C1充电。在第二个半周期中,开关3和4闭合,将C1放电到输出端。输出端的电流是连续的,等于平均输入电流的两倍。由于输出电流连续,输出电压纹波低。注意,C1和C(OUT)不需要匹配,因为它们的电压在每个周期上都是相等的。


图2 LT1054的内部开关交替地对C1进行充电和放电,为输出提供连续电流

图3显示了实际电路。LT1054不是将输入电压减半,而是调制输入电流(通过图2的开关1)来调节输出电压。该电路可以从11.2V到13V的输入输出200mA的5V电压。典型效率为74%,而线性调节器为42%。更重要的是,耗散从线性稳压器的1.4W降低到0.35W,通过LT1054的8引脚表面贴装封装轻松管理。对于3.3V/200mA输出,该电路的效率为49%,而线性稳压器的效率为27%,功耗从1.8W降至0.7W。与C1串联的6.2欧姆电阻与LT1054共享耗散功率;不需要散热器。


图3 这种开关电容调节器使输入和输出之间的电流加倍,提高了效率并消除了对散热片的需要

三个二极管改进逆变器

在产生负输出时也可以实现同样的优点。然而,开关电容逆变器没有正确的开关。通过增加三个二极管(见图4),逆变器可以对两个电容进行串联充电,然后将它们并联到一个输出电容上放电。输出电压的绝对值将等于输入电压的一半,减去由于开关和二极管的一些损耗。


图4 在开关电容逆变器中增加三个二极管,输入和输出之间的电流增加一倍

图5显示了一个实用电路,它将12V转换为-4V。LT1054的伺服回路在11V至15V的输入范围内保持输出调节到-4V,负载电流高达100mA。(不幸的是,从12V电源调节到-5V有太多的电压损失。)请注意,许多负电源将为可以将输出拉到地面上的负载供电(特别是运放电路);Q1防止这样的负载将U1的V(OUT)引脚拉到其接地引脚之上。


图5 这个电路将12V转换为-4V。100mA的输出电流只需要63mA的输入电流

由于U1的大部分工作电流都从它的接地引脚流出,因此该电路的输入电流略大于输出电流的一半。当输出100mA时,12V的输入测量为64mA,产生53%的效率。一种替代方案是,一个开关电容逆变器,然后是一个线性调节器,效率最高为33%,功耗为0.8W。该电路仅耗散0.35W,允许这种全表面贴装电路运行冷却。

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