Удвоитель напряжения схема 170 Вт
Введение
Удвоитель напряжения схема на 170W на печатной плате размером 23 х 16.5 мм — в приложениях с высокими входными и выходными напряжениями. Это без индуктивные емкостные преобразователи (зарядовые насосы). Они значительно улучшают КПД и сокращают размеры решения по сравнению с традиционными понижающими или повышающими топологиями, основанными на дросселях.
При замене дросселя зарядовым насосом для накопления и передачи энергии от входа к выходу используется «плавающий конденсатор». Плотность энергии, запасаемой в конденсаторах, намного выше, чем в дросселях. Благодаря этому плотность мощности в преобразователях, основанных на зарядовых насосах, увеличивается в 10 раз. Однако область применения зарядовых насосов традиционно ограничивалась приложениями малой мощности. А это обусловлено проблемами, связанными с запуском, защитой, управлением затворами и стабилизации выходного напряжения.
Все эти проблемы решает микросхема LTC7820, позволяющая создавать высокоэффективные решения (КПД до 99%) с большой плотностью мощности. Этот мощный высоковольтный контроллер коммутируемых конденсаторов с фиксированным коэффициентом преобразования напряжения. Он содержит четыре драйвера затворов, при подключении внешних N-канальных MOSFET может использоваться в конфигурациях делителя, удвоителя или инвертора напряжения. В режиме понижения 2:1 максимальное входное напряжение равно 72 В, а в режимах повышения 2:1 и инвертора 1:1 — 36 В. Каждый мощный MOSFET переключается с коэффициентом заполнения 50% с постоянной предварительно установленной частотой.
На Рисунке 1 показан удвоитель напряжения схема, которого рассчитана на 170 Вт. В данной конструкции используется микросхема LTC7820. Входное напряжение схемы (VIN), работающей на частоте 500 кГц при токе нагрузки до 7 А, равно 12 В, а выходное (VOUT)-24 В. Шестнадцать конденсаторов емкостью 10 мкФ (X7R, типоразмер 1210) выполняют функцию плавающего конденсатора (CFLY), отдающего мощность в нагрузку. Приблизительные размеры преобразователя составляют 23 мм x 16.5 мм x 5 мм (Рисунок 2), а плотность мощности достигает 1500 Вт/дюйм3.
Высокий КПД
Благодаря отсутствию дросселя в схеме, все четыре MOSFET переключаются мягко, намного снижая коммутационные потери. Кроме того, удвоитель напряжения схема, которого предусматривает использование на коммутируемом конденсаторе транзисторов MOSFET. Но с низкими допустимыми напряжениями, что значительно уменьшает потери проводимости. Как показано на Рисунке 3, КПД преобразователя может достигать 98.8% в пике и 98% при полной нагрузке. Потери мощности сбалансированы между четырьмя ключами, что улучшает распределение тепла по плате, упрощая теплоперенос в конструкциях небольшого размера. Температура горячих пятен, которые видны на термограмме схемы (Рисунок 4), при естественном охлаждении всего на 35 °С превышает температуру окружающего воздуха, равную 23 °С.
Хорошая стабилизация по нагрузке
Несмотря на то, что основанный на LTC7820 удвоитель напряжения не имеет замкнутой петли регулирования, высокая эффективность микросхемы. Как показывает Рисунок 3, обеспечивает высокое качество стабилизации — при полной нагрузке выходное напряжение снижается всего на 0.43 В (1.8%).
Запуск преобразователя
Если входное напряжение медленно нарастает от нуля, заряд конденсатора в схемах удвоителей напряжения происходит без выбросов тока. При медленном (порядка миллисекунд) росте входного напряжения выходное напряжение может отслеживать входное. При этом различие между напряжениями на конденсаторах остается небольшим, поэтому существенных бросков тока в схеме не возникает. Для контроля скорости нарастания входного напряжения можно использовать разъединяющий МОП-транзистор (MDIS) на входе или интегрированный в LTC7820 контроллер горячей замены. Работа которого подробно описана в разделе типовых приложений технического описания микросхемы.
В схеме на Рисунке 1 разъединяющий МОП-транзистор подключен к входу. В отличие от делителей напряжения, рост входного напряжения удвоителя всегда должен начинаться с нуля. Но запуск может происходить сразу при больших токах нагрузки. Процесс запуска преобразователя при токе нагрузки 7 А иллюстрируется Рисунком 5.
Заключение
Контроллер переключаемого конденсатора LTC7820 с встроенными драйверами затворов, управляя внешними MOSFET, может обеспечить очень высокий КПД (до 99%) и большую плотность мощности. Надежные функции защиты позволяют использовать LTC7820 в мощных высоковольтных приложениях. Например таких как шинные преобразователи, распределенные системы питания высокой мощности, коммуникационные системы и промышленные установки.