mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2021-9-2-66-77mireabulletin-304Research ArticleМИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКА. ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯMICRO- AND NANOELECTRONICS. CONDENSED MATTER PHYSICSТопология безындуктивных DC/DC преобразователей с гальваническим разделением цепейTopology of non-inductive DC/DC converters with galvanic isolated circuitsБабенкоВ. П.BabenkoV. P.

Бабенко Валерий Павлович, к.т.н., доцент, доцент кафедры радиоволновых процессов и технологий Института радиотехнических и телекоммуникационных систем

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78 

Valery P. Babenko, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Radio Wave Processes and Technologies, Institute of Radio Engineering and Telecommunication Systems

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454

vbabenko16091940@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-6448-8509БитюковВ. К.BityukovV. K.

Битюков Владимир Ксенофонтович, д.т.н., профессор, профессор кафедры радиоволновых процессов и технологий Института радиотехнических и телекоммуникационных систем

119454,  Москва, пр-т Вернадского, д. 78

ResearcherID Y8325-2018, Scopus Author ID 6603797260

Vladimir K. Bityukov, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Professor of the Department of Radio Wave Processes and Technologies, Institute of Radio Engineering and Telecommunication Systems

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454

ResearcherID Y8325-2018, Scopus Author ID 6603797260

bitukov@mirea.ruМИРЭА – Российский технологический университетРоссияMIREA – Russian Technological UniversityRussian Federation202126042021926677Copyright © Бабенко В.П., Битюков В.К., 20212021Бабенко В.П., Битюков В.К.Babenko V.P., Bityukov V.K.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/304

В малоэнергопотребляющих и высокоинтегрированных электронных системах используются безындуктивные (бездроссельные) DC/DCпреобразователи, позволяющие избежать характерных ограничений для дроссельных преобразователей − стоимость и массогабариты дросселей. Проведен схемотехнический анализ базовых топологий безындуктивных DC/DCпреобразователей с накачкой заряда, выполняющих типовые преобразования напряжения постоянного тока – понижение, повышение и инвертирование. Гальваническая развязка между входной и выходной цепями преобразователя достигается даже в интегральном исполнении за счет формирования временной задержки ключей (Dead Time, DT), коммутирующих «летающий» конденсатор, перекачивающий заряд в накопительный конденсатор и нагрузку. Разработана схема формирователя DTи исследованы его параметры, при которых обеспечивается предотвращение сквозных токов через ключи, и выполняются условия гальванической развязки входной и выходной цепей. Имитационное моделирование выполнено в популярной программе Electronics Workbench, широко используемой в подготовке специалистов радиоэлектронного профиля в высшей школе. Представлены результаты исследования основных энергетических характеристик DC/DCпреобразования, таких как выходные ток и напряжение, коэффициент передачи напряжения, КПД, выходное эквивалентное сопротивление. Проведена оценка эффективности преобразования при вариации емкостей «летающего» и накопительного конденсаторов, сопротивления ключей в замкнутом состоянии и частоты коммутации. Показано, что метод накачки заряда прост и эффективен при небольших токах нагрузки (единицы мА), когда коэффициент передачи напряжения с входа на выход и КПД высоки и приближаются к единице. Однако при увеличении тока нагрузки снижается коэффициент передачи напряжения и КПД, растут пульсации выходного напряжения.

Non-inductive (throttle-free) DC/DC converters are used in low-power and highly integrated electronic systems. A circuit analysis of the basic topologies of non-inductive DC/DC charge-pumped converters which perform typical DC-voltage conversions, i.e., lowering, raising and inverting, was carried out. The galvanic isolation between the input and output circuits of the converter was achieved even in the integrated version due to forming a time delay of the switches (Dead Time, DT), commuting a “flying” capacitor, which is transferring the charge to the storage capacitor and the load. A circuit of the DT driver was developed and its parameters, at which the through-current flow in the switch is prevented and the conditions of galvanic isolation of the input and output circuits are satisfied, were studied. The simulation was built with a popular Electronics Workbench software, widely used in training of specialists in radio electronics at higher educational institutions. The results of the study of the basic power characteristics of DC/DC conversion, such as output current and voltage, voltage transfer coefficient, efficiency, output equivalent resistance, were presented. The efficiency of conversion was estimated by varying the capacities of the “flying” and storage capacitors, the resistance of the switches in the closed state, and the frequency of switching. It is proved that the charge pumping method is simple and effective at low load currents (mA units), when both the voltage transfer coefficient from input to output and efficiency are high, and are approaching to “one”. However, with the increase of the load current, the voltage transfer coefficient and efficiency decrease, the output voltage ripples increase.

радиоэлектроникаDC/DCпреобразовательнакачка зарядазарядовый насосбезын-дуктивныймоделирование«летающий» конденсаторконденсатор фильтрапульсацииХ-точкаradio electronicsDC/DCconvertercurrent charge pumpinga charge pumpnon-inductivesimulation“flying” capacitorfilter capacitorripplesX-pointReferencesЯблоков Д. Современные микропотребляющие DC/DC-преобразователи с накачкой заряда для приборов с батарейным питанием. Компоненты и технологии. 2005;2:96−99.Yablokov D. Modern micro-consuming charge-pump DC/DC converters for battery powered devices. Komponenty i tekhnologii = Components and Technologies.2005;2:96−99 (in Russ.).DC-DC conversion without inductors. Maxim Integrated Product. Appnote 725. 22 Jul. 2009. URL: https://pdfserv.maximintegrated.com/en/an/AN725.pdfDC-DC conversion without inductors. Maxim Integrated Product. Appnote 725. Jul. 22, 2009. URL: https://pdfserv.maximintegrated.com/en/an/AN725.pdfBallo A., Grasso A.D., Palumbo G. A Review of Charge Pump Topologies for the Power Management of IoT Nodes. Electronics. 2019;8(5):480. https://doi.org/10.3390/electronics8050480Ballo A., Grasso A.D., Palumbo G. A Review of Charge Pump Topologies for the Power Management of IoT Nodes. Electronics. 2019;8(5):480. https://doi.org/10.3390/electronics8050480Битюков В.К., Симачков Д.С., Бабенко В.П. Источни-и вторичного электропитания. М.: Инфра-Инженерия; 2019. 376 с. ISBN: 978-5-9729-0267-5Bityukov V.K., Simachkov D.S., Babenko V.P. Istochniki vtorichnogo elektropitaniya(Secondary power supplies). Moscow: Infra-Inzheneriya; 2019. 376 p. (in Russ.). ISBN: 978-5-9729-0267-5Lubarsky G. The forgotten converter. Charge-pump basics. Operation. Texas Instruments Incorporated. SLPY005. 2 July 2015. URL: http://www.ti.com/lit/wp/slpy005/slpy005.pdfLubarsky G. The forgotten converter. Charge-pump basics. Operation. Texas Instruments Incorporated. SLPY005. 2 July 2015. URL: http://www.ti.com/lit/wp/slpy005/slpy005.pdfОнышко Д. Преобразователи постоянного напряжения на коммутируемых конденсаторах. Chip News. 2002;3. http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/publ/_rtcs/90_pwm_C_MAX.htmOnyshko D. DC/DC voltage converters on switched capacitors. Chip News. 2002;3. (in Russ.). URL: http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/publ/_rtcs/90_pwm_C_MAX.htmЗвонарев Е. Решения от Texas Instrumentsдля AC/DC- и DC/DC-преобразователей. Новости электроники. 2007;9:6−12.Zvonarev E. Texas Instruments solutions for AC/DC and DC/DC converters. Novosti elektroniki. 2007;9:6−12 (in Russ.).Frenzel L. Зарядовые насосы как альтернатива стабили-заторам других типов. РадиоЛоцман.2017;12:32–35.Frenzel L. Charge pumps as an alternative to other types of stabilizers. RadioLotsman. 2017;12:32−35 (in Russ.).Бабенко В.П., Битюков В.К. Схемотехника формирователей паузы задержки DEAD TIME в силовых ключах. Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. 2018;18(3):615−620.Babenko V.P., Bityukov V.K. An integrated circuit for forming DEAD TIME drivers in power switches. Fundamental’nye problemy radioelektronnogo priborostroeniya = Fundamental problems of radioengineering and device construction.2018;18(3):615−620 (in Russ.).Макаренко В. О выборе параметров DC/DC-преобразователей с накачкой заряда. Электронные компоненты и системы. 2016;2:33−39. URL: http://www.ekis.kiev.ua/UserFiles/Image/pdfArticles/2016_2/V.Makarenko_On%20the%20choice%20of%20parameters%20of%20DC-DC-converters%20with%20charge%20pumps_EKIS_2_2016-2.pdfMakarenko V.O. On the choice of parameters of DC/DC converters with charge pumps. Elektronnye komponenty i sistemy = Electronic Components and Systems. 2016;2:33−39 (in Russ.). URL: http://www.ekis.kiev.ua/UserFiles/Image/pdfArticles/2016_2/V.Makarenko_On%20the%20choice%20of%20parameters%20of%20DC-DC-converters%20with%20charge%20pumps_EKIS_2_2016-2.pdfБабенко В.П., Битюков В.К., Кузнецов В.В., Симачков Д.С. Моделирование статических и динамических потерь в MOSFET-ключах. Российский технологический журнал. 2018;6(1):20−39. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2018-6-1-20-39Babenko V.P., Bityukov V.K., Kuznetsov V.V., Simachkov D.S. Simulation of static and dynamic losses in MOSFET keys. Rossiiskii tekhnologicheskii zhurnal = Russian Technological Journal. 2018;6(1):20−39 (in Russ.). https://doi.org/10.32362/2500-316X-2018-6-1-20-39Бабенко В.П., Битюков В.К. Имитационное моделирование процессов переключения силовых полевых транзисторов в программе ELECTRONICS WORKBENCH. Радиотехника и электроника. 2019;64(2):199−205. https://doi.org/10.1134/S0033849419020025Babenko V.P., Bityukov V.K. Simulation of switching of high-power FETs using the electronics Workbench Software. Journal of Communications Technology and Electronics. 2019;64(2):176−181. https://doi.org/10.1134/S1064226919020025[Babenko V.P., Bityukov V.K. Simulation of switching of highpower FETs using the electronics Workbench Software. Radiotekhnika i elektronika = Journal of Communications Technology and Electronics. 2019;64(2):199−205 (in Russ.)]Ковалева И.В., Лучанинов Д.В. Обзор сервисов моделирования и разработки электрических схем. Посту-лат. 2018;2-1(28):5. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=32676210Kovaleva I.V., Luchaninov D.V. Overeview of modeling services and the development of electrical circuits. Postulat. 2018;2–1(28):5 (in Russ.). URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=32676210Wang C.-C., Wu J.-C. Efficiency Improvement in Charge Pump Circuits. IEEE J. Solid-State Circuits. 1997;32(6):852−860. https://doi.org/10.1109/4.585287Wang C.-C., Wu J.-C. Efficiency Improvement in Charge Pump Circuits. IEEE J. Solid-State Circuits. 1997;32(6):852−860. https://doi.org/10.1109/4.585287Hsu C.-P., Lin H. Analysis of power efficiency for four-phase positive charge pumps. In: Proceeding of the Fifth Lasted International Conference CIRCUITS, SIGNAL, and SYSTEMS. Banff. Alberta. Canada. July 2−4, 2007. URL: http://www.ee.nchu.edu.tw/Pic/Writings/2343_573-109.pdfHsu C.-P., Lin H. Analysis of power efficiency for four-phase positive charge pumps. In: Proceeding of the Fifth Lasted International Conference CIRCUITS, SIGNAL, and SYSTEMS. Banff. Alberta. Canada. July 2−4, 2007. URL: http://www.ee.nchu.edu.tw/Pic/Writings/2343_573-109.pdfVitchev V. Calculating Essential Charge-Pump Parameters. Maxim Integrated Products. July № 1. 2006. Sunnyvale. California. URL: https://www.researchgate.net/publication/293714428_Calculating_essential_charge-pump_parametersVitchev V. Calculating Essential Charge-Pump Parameters. Maxim Integrated Products. July No. 1. 2006. Sunnyvale. California. URL: https://www.researchgate.net/publication/293714428_Calculating_essential_charge-pump_parametersБитюков В.К., Миронов А.В., Михневич Н.Г., Петров В.А. Работа системы накачки заряда DC-DC преобразователя MAX1759 в режиме повышения напряжения. Вестник Концерна ВКО «Алмаз-Антей».2017;1(20):48−58.Bityukov V.K., Mironov A.V., Mikhnevich N.G., Petrov V.A. Charge pump system operation of DC–DC converter MAX1759 in the voltage boost mode. Vestnik Kontserna VKO Almaz-Antei = Bulletin of Concern PVO AlmazAntey. 2017;1(20):48−58 (in Russ.).Битюков В.К., Петров В.А., Сотникова А.А. Работа DC-DC преобразователя MCP1253 с накачкой заряда в режиме понижения напряжения. Российский технологический журнал. 2017;5(4):13–21. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2017-5-4-13-21Bityukov V.K., Petrov V.A., Sotnikova A.A. Operation of MCP1253 DC/DC charge-pump converter MCP1253 in buck mode. Rossiiskii tekhnologicheskii zhurnal = Russian Technological Journal. 2017;5(4):13−21 (in Russ.). https://doi.org/10.32362/2500-316X-2017-5-4-13-21Битюков В.К., Иванов А.А., Миронов А.В., Михневич Н.Г., Перфильев В.С., Петров В.А. Исследование характеристик микросхем источников вторичного электропитания с накачкой заряда. Радиотехника. 2017;2:126−134.Bityukov V.K., Ivanov A.A., Mironov A.V., Mikhnevich N.G., Perfil’ev V.S., Petrov V.A. A study of characteristics of microcircuits of secondary power sources with charge pump. Radiotekhnika = Radio Engineering. 2017;2:126−134 (in Russ.).Битюков В.К. Иванов А.А., Миронов А.В, Михневич Н.Г., Перфильев В.С., Петров В.А. Стенд для исследования характеристик микросхем источников вторичного электропитания с накачкой заряда. Российский технологический журнал. 2016;4(3):37−52. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2016-4-3-37-52Bityukov V.K., Ivanov A.A., Mironov A.V., Mikhnevich N.G., Perfil’ev V.S., Petrov V.A. Test bench for studying characteristics of integrated circuit chips of secondary regulated charge pump power supply. Rossiiskii tekhnologicheskii zhurnal = Russian Technological Journal. 2016;4(3):37−52 (in Russ.). https://doi.org/10.32362/2500-316X-2016-4-3-37-52Никитин Е. Методы уменьшения входных пульсаций для преобразователей с накачкой заряда. Компоненты и технологии. 2003;5:58−60.Nikitin E. Methods for reducing input ripple for charge-pump converters. Komponenty i tekhnologii = Components and Technologies. 2003;5:58−60 (in Russ.).Barbehenn G.H. Малошумящий повышающе-понижающий регулируемый преобразователь напряжения с выходным током 250 мА на основе зарядового насоса. РадиоЛоцман. 2014;2:31−34.Barbehenn G.H. Low-noise step up/down adjustable voltage converter with an output current of 250 mA based on a charge pump. RadioLotsman. 2014;2:31−34 (in Russ.).Битюков В.К., Михневич Н.Г., Петров В.А. Моделирование пульсаций отрицательного напряжения в системе накачки заряда и на выходе микросхемы двухполяр-ного DC–DC преобразователя LM27762. Российский технологический журнал. 2020;8(1):80−96. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2020-8-1-80-96Bityukov V.K., Mikhnevich N.G., Petrov V.A. Simulation of negative voltage ripples at the output of charge pump system and the microcircuit output of bipolar LM27762 DC–DC converte. Rossiiskii tekhnologicheskii zhurnal = Russian Technological Journal. 2020;8(1):80−96 (in Russ.). https://doi.org/10.32362/2500-316X-2020-8-1-80-96Латыев Л.Н., Петров В.А., Чеховской В.Я., Шестаков Е.Н. Излучательные свойства твердых материалов. Справочник, под общ. ред. А.Е. Шейндлина. М.: Энергия; 1974. 472 сLatyev L.N., Petrov V.A., Chekhovskoi V. Ya., Shestakov E.N. Izluchatel’nye svoistva tverdykh materialov. Spravochnik(Emissivity of solid materials. Handbook), Sheindlin A.Е. (Ed.) Мoscow: Energiya; 1974. 472 p. (in Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.