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Quando un progetto necessita di rail di tensione ausiliaria e i carichi di corrente associati sono modesti, i moltiplicatori di tensione della pompa a condensatore rappresentano spesso il modo più semplice, economico ed efficiente per realizzarli.
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Il più semplice di questi è il duplicatore di tensione della pompa a diodi. È costituito da soli due diodi e due condensatori, ma presenta gli svantaggi intrinseci di richiedere un’onda quadra separata per il pilotaggio e di produrre una tensione di uscita pari ad almeno due gocce di diodi in meno del doppio del rail di alimentazione. Per evitare questa inefficienza e raddoppiare con precisione l’alimentazione, è necessaria la commutazione attiva (tipicamente con FET CMOS).
I chip duplicatori di tensione CMOS sono disponibili in commercio. Un esempio è il Maxim MAX1682. Funziona bene in applicazioni in cui il carico di corrente non è troppo pesante, ma (e dispositivi simili) non è particolarmente economico. Il 1682 costa quasi 4 dollari da solo, creando la tentazione di vedere se possiamo fare meglio, considerando che i chip switch CMOS generici (come il 74AC14) possono essere acquistati da soli per 50 centesimi.
Un piano per farlo inizia con Figura 1che mostra uno schizzo semplificato di un inverter logico CMOS.
Figura 1 Schema semplificato del tipico circuito I/O del gate CMOS di base che mostra diodi di bloccaggio e coppia di interruttori FET complementari.
Notare i diodi di bloccaggio in ingresso e in uscita. Questi vengono messi lì dal produttore per proteggere il chip dai danni ESD, ma un diodo è un diodo e può quindi svolgere anche altre funzioni utili. Allo stesso modo, la coppia FET a canale P era destinata a collegare la guida V+ al pin di uscita quando si emette un UNO logico e il canale N per la connessione al pin V- per uno ZERO. Ma i FET CMOS condurranno volentieri la corrente in entrambe le direzioni. Pertanto, la corrente che scorre dal perno alla rotaia funziona altrettanto bene che dalla rotaia al perno.
figura 2 mostra come questi fatti di base si riferiscono al pompaggio di carica e alla moltiplicazione della tensione.
figura 2 Duplicatore di tensione semplificato, che mostra il dispositivo driver (U1), il dispositivo di commutazione (U2) e i condensatori di accoppiamento (Cc), pompa (Cp) e filtro (Cf).
Immagina due inverter interconnessi come mostrato nella Figura 2 con un segnale di controllo a onda quadra accoppiato direttamente all’ingresso di U1 e tramite il cappuccio di blocco CC Cc a U2 con i morsetti di ingresso di U2 che forniscono il ripristino della CC.
Considera UN semiciclo dell’onda quadra. Entrambi i FET a canale N U1 e U2 si accenderanno, collegando l’estremità U2 di Cp a V+ e l’estremità U1 a terra, caricando Cp a V+. Notare la polarità invertita del flusso di corrente dal pin di uscita di U2 a causa del fatto che Cp guida il pin negativo.
Consideriamo ora cosa succede quando il segnale di controllo si inverte su ZERO.
I FET P si accenderanno mentre i FET N si spengono. Ciò forza la carica precedentemente accettata da Cc a essere scaricata su Cf attraverso l’uscita di U2 e il pin V+, completando così un ciclo di pompaggio di carica che fornisce una quantità di carica positiva da depositare su Cf. Si noti che il flusso di corrente invertito attraverso U2 si verifica nuovamente. Il ciclo si ripete con la successiva alternanza del segnale di controllo, e così via, ecc., ecc.
Durante l’avvio, finché su Cf non si accumula una tensione sufficiente per il normale funzionamento dei circuiti interni di U2 e del comando del gate FET, i diodi morsetto U2 servono a rettificare il segnale di comando Cp e iniziare la carica di Cf finché i FET non possono prendere il sopravvento.
Questo per quanto riguarda la teoria. La traduzione della Figura 2 in un duplicatore di tensione completo è mostrata in Figura 3.
Figura 3 Duplicatore di tensione completo: orologio della pompa da 100 kHz impostato da R1C1, trigger Schmidt, driver (U1) e commutatore (U2)
Un clock di pompa da 100 kHz viene emesso sul pin 2 del trigger Schmidt U1 74AC14. Questo segnale viene instradato alle cinque porte rimanenti di U1 e (attraverso tappo di accoppiamento C2) le sei porte di U2. Il trasferimento di carica positiva avviene attraverso C3 in U2 e da lì si accumula sul cappuccio del filtro C5.
Anche se l’isteresi di Schmidt non è realmente necessaria per l’U2, è stato scelto un altro AC14 alla ricerca di tempi di ritardo di commutazione adeguati, migliorando così l’efficienza e promuovendo la sincronicità del trasferimento di carica. Alcune specifiche prestazionali (V+ = 5 V) sono:
- Impedenza dell’uscita 10 V: 8,5 Ω
- Carico continuo massimo: 50 mA
- Efficienza con carico di 50 mA: 92%
- Efficienza con carico di 25 mA: 95%
- Consumo energetico senza carico: 440 µW
- Tempo di avvio < 1 millisecondo
Quindi, cosa succede se il semplice raddoppio di V+ non è sufficiente? COME Figura 4 illustra, questo progetto può essere facilmente collegato in cascata per creare un efficiente triplicatore di tensione. E’ possibile anche l’estensione a multipli ancora superiori.
Figura 4 L’aggiunta di quattro componenti economici è sufficiente per triplicare la tensione di alimentazione.
Il rapporto di Stephen Woodward con la rubrica DI dell’EDN risale a molto tempo fa. Dal suo primo contributo nel 1974 sono state accettate oltre 100 proposte.
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