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低電流、具穩壓功能的升壓電路
 

【作者: Keith Curtis】   2014年05月19日 星期一

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為了最近的研究計畫,我需要一個能夠提供幾毫安培電流的15V 穩壓電源。我不想要多付一個電感式升壓 (inductive boost) 線路的費用,而且該電路上的原始供應電壓僅有 9V 而已。我考慮在原始的供應電壓上使用電容式倍壓器 (voltage doubler),然而那就必需在電路板上新增另外一顆 IC,而且倍壓器往往會在負載情況下大幅驟降。我真正需要的是一個簡單的電路,而這電路是由外部幾個被動元件,及微控制器外所剩餘的周邊所構成。


然後,突然一個想法冒出來──早期電視的設計是使用簡單的電容式電壓倍增器 (voltage multiplier) 來產生高電壓,以供 CRT 使用。這種電路被稱做維拉德串聯電壓倍增器 (Villard Cascade Voltage Multiplier),而這種電路基本上是比倍壓器 (voltage doubler) 或是電荷泵 (charge pump) 稍微更加複雜一點的版本。假如我能夠調整在不同種類的電容間所傳遞的電荷,那麼或許我就可以從我的 5V 電壓中,產生一個穩壓的 15V。


在有了想法與期望後,我回過來檢視微控制器,看看有剩下什麼周邊元件可以利用。那裡有著各種全橋式輸出 (H-bridge-output) 模式的 PWM、電壓比較器、帶差參考電壓 (bandgap reference) 、以及一些類比數位轉換器 (Analog-to-Digital Converter: ADC) 通道。


這個 PWM 非常適合於電荷泵、以及比較器和帶差參考電壓,因此可以成為一個簡單的回授機制。將電荷泵電壓倍增器 (charg-pump-multiplier) 的拓撲與 PWM 結合,將可產生一個可以建構出一個無負載的 18V 電路。我可以根據電壓的回授控制來切換 PWM 的輸出開啟與關閉,進而將這個輸出下調到 15V。圖一顯示出這個結果的設計。



圖一 : 低電流、升壓穩壓電路
圖一 : 低電流、升壓穩壓電路

當輸出電壓偏低時,第一個電容可透過比較器的輸出來充電半個週期。這些電荷將會在其他半個週期間傳遞到下一個電容。在好幾個週期之後,透過這些電容所傳遞的電荷將會在每一個階段增加大約 4.5V。當這個輸出電壓已經足夠將比較器的反向輸入推升到高於比較器的參考電壓時,則輸出電壓會往下降,而且第一個電容將不再繼續充電,藉此避免有任何新的電荷傳遞到輸出電壓上。


如此一來,你將可以擁有一個使用 PWM、比較器、帶差參考電壓以及少許電阻、電容以及二極體所構成的一個具穩壓功能的電荷泵升壓電路。


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