Удвоитель напряжения и мощность

Практического предела нет. Идея о том, что зарядовые насосы непрактичны или даже неэффективны, не имеет под собой реальной основы, по крайней мере, сегодня.

На первый взгляд это могло быть правдой в какой-то момент, много-много лет назад, до того, как появились керамические конденсаторы большей емкости, и большинство электролитических колпачков были в основном мусором. На самом деле, большинство электролитических крышек сегодня все еще мусор, за исключением некоторых дорогих версий с высокими эксплуатационными характеристиками.

Ток, который вы можете получить от удвоителя напряжения, или, точнее говоря, выходное сопротивление удвоителя напряжения, — это то, что вы можете рассматривать, например, как ESR батареи или просто резистор, включенный последовательно с выходом. По крайней мере, для базового приближения постоянного тока. Чем больше ток нагрузки, тем больше падение напряжения из-за этого импеданса. Однако обратите внимание, что, поскольку это импеданс, энергия накапливается, а не рассеивается, поэтому этот импеданс напрямую не способствует потерям зарядового насоса, но, как вы говорите в своем вопросе, это, безусловно, может установить практический предел мощности разумно достижимом уровне.

Тем не менее , за этим нет никакой конкретной причины, связанной с работой подкачивающего насоса. Катушки индуктивности имеют последовательное сопротивление, и оно часто может быть высоким для катушек индуктивности с более высокими значениями, но мы легко используем их для уровней мощности в несколько киловатт и более.

Идея о том, что насосы заряда не так эффективны, связана не с насосом заряда, а скорее с тем, насколько плохой была технология конденсаторов. И это не совсем относится к выходному импедансу — импеданс легко снизить, просто используя большие конденсаторы или более высокие частоты. Использование емкости 600 мкФ при частоте 10 кГц и токе 5 А вызовет падение напряжения на выходе менее 300 мВ. Это действительно совсем не плохо.

Проблема заключалась в том, что, как я упоминал ранее, электролитические конденсаторы были (есть) полным мусором. Они ужасны во всем, что касается конденсатора, за исключением фактического накопленного заряда. Конечно, у них есть мкФ на несколько дней, но вы платите за это чрезвычайно высоким ESR (если только вы не используете конденсаторы чудовищных размеров) и очень плохим ESL и характеристикой пульсаций вдобавок ко всему. Большинство электролитических конденсаторов полностью перестают вести себя как конденсаторы на частотах выше 100 кГц (твердополимерные конденсаторы иногда работают на частоте 150 кГц... при больших дополнительных затратах на спецификацию). Так что это на самом деле индуктивностьэлектролитических конденсаторов, наряду с относительно высоким последовательным сопротивлением и низкой стоимостью и объемной эффективностью, которые в совокупности делали зарядовые насосы довольно непривлекательным вариантом. Вы были бы вынуждены держаться подальше от собственной резонансной частоты конденсатора, где ESL заставляет их вести себя как резисторы (конечно, с реактивным импедансом, а не с реальным сопротивлением), тем самым лишая вас любого фактического удвоения напряжения. Вот почему многие имеющиеся в продаже микросхемы подкачки заряда используют такие низкие частоты переключения. Так низко, что их слышно! Частота 5-10 кГц.

И эта более низкая частота, конечно, усугубляет проблему, поскольку она также увеличивает реактивный импеданс из-за емкости ... но не так сильно, как можно было бы подумать.

Очень важно иметь в виду, что когда речь идет о цепях переменного тока, все строго синусоидально. Формула импеданса для конденсатора точна только для синусоидальной волны на заданной частоте и не применяется к более прерывистым формам волны, таким как включение полевых МОП-транзисторов, и они включаются жестко. Наносекундные времена нарастания не очень синусоидальны на частотах ниже 1 ГГц.

Теперь никакая форма сигнала не является действительно прерывистой, поэтому эти сигналы переключения, хотя и кажутся квадратными, могут быть разложены на ряд непрерывных синусоидальных компонентов, начиная с основной, а затем либо с четной, либо с нечетной гармоникой (в зависимости от того, является ли это передним или падающим фронтом). , охватывающий частотный диапазон вплоть до синусоидальных частот с периодами, подобными времени нарастания фронта. Так:

Как вы можете видеть на нижнем графике, только часть мощности содержится в основной частоте, остальная часть содержится в высокочастотных гармониках, что означает, что реактивный импеданс конденсатора не применяется равномерно к различным компонентам сигнала переключателя. Это позволяет незначительно, но значимо увеличить эффективную мощность, которая может передаваться на заданной частоте через заданный конденсатор, просто потому, что форма волны не является синусоидальной. В то время как импеданс снова возрастает после 100 кГц или около того, почти вся энергия содержится в более низких гармониках (для 10 кГц и типичного времени нарастания MOSFET).

И интуитивно это имеет смысл: если вы просто заряжаете конденсатор так быстро, как он может его принять, вместо того, чтобы наращивать его в виде красивой синусоидальной волны, то вы можете заряжать этот конденсатор быстрее, а в контексте зарядового насоса ваша падение напряжения из-за выходного сопротивления немного меньше. В целом, это не меняет правила игры или что-то в этом роде, но это заметно, и я счел нужным упомянуть.

В любом случае, сейчас не 1980-е годы, и мы больше не ограничены в выборе конденсаторов. Керамические конденсаторы больше не доступны только в нанофарадах, они начинают соответствовать (и вытеснять) небольшие электролитические конденсаторы со значениями, такими как 100 мкФ или более, легко доступными в керамических конденсаторах.

И в отличие от электролитических конденсаторов, керамические конденсаторы на самом деле заслужили это название - конденсатор. Их ESR настолько низки, как правило, одноразрядные мОм, а их ESL ограничены паразитной индуктивностью из-за высоты торцевых крышек SMD (!!!), что это действительно конденсаторы, которых мы заслуживаем.

Итак, давайте сделаем удвоитель напряжения, который переключается более чем на порядок быстрее, чем бессмысленные 10-кГц устройства, предшествовавшие DeLorean, 150-кГц. Это даже не примечательно для керамического конденсатора. И давайте построим его0, используя керамические конденсаторы 6 x 10 мкФ 63 В, вряд ли неразумно. И давайте удвоим 24 В до 48 В... при 360 Вт или 7,5 А при 48 В на выходе.

Это производительность, которую мы получаем от нашего так называемого «маломощного» удвоителя напряжения:

Эффективность 98,25%.

Так что нет, зарядовые насосы больше не ограничены по мощности, чем, скажем, обычные понижающие или повышающие преобразователи на основе индуктора. Действительно, они превосходят их в широком диапазоне уровней мощности и выходных напряжений. Посмотрите на этого бегемота с удвоением/делением напряжения мощностью более 500 Вт, LTC7820 . Его техпаспорт является источником этого графика эффективности.

У них есть фундаментальная проблема, которая, вероятно, является истинной причиной их довольно ограниченного использования в преобразовании энергии, и что они не могут регулировать свои выходы, как это могут переключатели на основе индуктора. Они настоящие удвоители/делители. Вы получаете половину или двойное значение входного напряжения, и только это. Они чисто пропорциональные, и эти отношения довольно ограничены (например, удвоение, деление пополам, умножение). Таким образом, они могут отлично работать в качестве промежуточного преобразователя мощности, но обычно вам все равно нужен пост-регулятор (или пререгулятор, или оба). И в этот момент вы могли бы просто сделать обычный коммутатор на 500 Вт. В зависимости.

Все, что я хочу сказать, это то, что не думайте, что зарядные насосы не могут работать с серьезной мощностью — они определенно могут.

Импеданс этой цепи будет пропорционален импедансу ваших конденсаторов на частоте вашего источника переменного тока.

Я не знаю, как именно это будет связано с используемой вами схемой. Это не та договоренность, с которой я возился.

Поскольку вы используете LTSpice, вы можете легко узнать, как сопротивление удвоителя связано с сопротивлением конденсаторов.

Измерьте ненагруженное напряжение удвоителя, затем подключите резистор от выхода к земле и измерьте напряжение. Продолжайте снижать сопротивление до тех пор, пока выходное напряжение не составит половину напряжения без нагрузки. Это сопротивление R является приблизительным импедансом удвоителя.

Сравните это с импедансом одного конденсатора на вашей частоте переменного тока. R должно быть кратно импедансу конденсатора.

Повторите для разных значений конденсатора, и вы должны быстро выяснить, как связаны импеданс конденсатора и импеданс удвоителя.

На этом сайте подробно рассказывается об импедансе и нагрузке умножителя напряжения. Однако речь идет о множителях Кокрофта-Уолтона, которые отличаются от вашей схемы.