为了最近的研究计画,我需要一个能够提供几毫安培电流的15V 稳压电源。我不想要多付一个电感式升压 (inductive boost) 线路的费用,而且该电路上的原始供应电压仅有 9V 而已。我考虑在原始的供应电压上使用电容式倍压器 (voltage doubler),然而那就必需在电路板上新增另外一颗 IC,而且倍压器往往会在负载情况下大幅骤降。我真正需要的是一个简单的电路,而这电路是由外部几个被动元件,及微控制器外所剩余的周边所构成。
然后,突然一个想法冒出来──早期电视的设计是使用简单的电容式电压倍增器 (voltage multiplier) 来产生高电压,以供 CRT 使用。这种电路被称做维拉德串联电压倍增器 (Villard Cascade Voltage Multiplier),而这种电路基本上是比倍压器 (voltage doubler) 或是电荷泵 (charge pump) 稍微更加复杂一点的版本。假如我能够调整在不同种类的电容间所传递的电荷,那么或许我就可以从我的 5V 电压中,产生一个稳压的 15V。
在有了想法与期望后,我回过来检视微控制器,看看有剩下什么周边元件可以利用。那里有着各种全桥式输出 (H-bridge-output) 模式的 PWM、电压比较器、带差参考电压 (bandgap reference) 、以及一些类比数位转换器 (Analog-to-Digital Converter: ADC) 通道。
这个 PWM 非常适合于电荷泵、以及比较器和带差参考电压,因此可以成为一个简单的回授机制。将电荷泵电压倍增器 (charg-pump-multiplier) 的拓扑与 PWM 结合,将可产生一个可以建构出一个无负载的 18V 电路。我可以根据电压的回授控制来切换 PWM 的输出开启与关闭,进而将这个输出下调到 15V。图一显示出这个结果的设计。
当输出电压偏低时,第一个电容可透过比较器的输出来充电半个周期。这些电荷将会在其他半个周期间传递到下一个电容。在好几个周期之后,透过这些电容所传递的电荷将会在每一个阶段增加大约 4.5V。当这个输出电压已经足够将比较器的反向输入推升到高于比较器的参考电压时,则输出电压会往下降,而且第一个电容将不再继续充电,借此避免有任何新的电荷传递到输出电压上。
如此一来,你将可以拥有一个使用 PWM、比较器、带差参考电压以及少许电阻、电容以及二极体所构成的一个具稳压功能的电荷泵升压电路。