Топология безындуктивных DC/DC преобразователей с гальваническим разделением цепей

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.

1. Яблоков Д. Современные микропотребляющие DC/DC-преобразователи с накачкой заряда для приборов с батарейным питанием. Компоненты и технологии. 2005;2:96−99.

2. DC-DC conversion without inductors. Maxim Integrated Product. Appnote 725. 22 Jul. 2009. URL: https://pdfserv.maximintegrated.com/en/an/AN725.pdf

3. Ballo 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/electronics8050480

4. Битюков В.К., Симачков Д.С., Бабенко В.П. Источни-и вторичного электропитания. М.: Инфра-Инженерия; 2019. 376 с. ISBN: 978-5-9729-0267-5

5. Lubarsky G. The forgotten converter. Charge-pump basics. Operation. Texas Instruments Incorporated. SLPY005. 2 July 2015. URL: http://www.ti.com/lit/wp/slpy005/slpy005.pdf

6. Онышко Д. Преобразователи постоянного напряжения на коммутируемых конденсаторах. Chip News. 2002;3. http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/publ/_rtcs/90_pwm_C_MAX.htm

7. Звонарев Е. Решения от Texas Instrumentsдля AC/DC- и DC/DC-преобразователей. Новости электроники. 2007;9:6−12.

8. Frenzel L. Зарядовые насосы как альтернатива стабили-заторам других типов. РадиоЛоцман.2017;12:32–35.

9. Бабенко В.П., Битюков В.К. Схемотехника формирователей паузы задержки DEAD TIME в силовых ключах. Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. 2018;18(3):615−620.

10. 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.pdf

11. Бабенко 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-2018-6-1-20-39

12. Бабенко 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/S0033849419020025

13. 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=32676210

14. Wang C.-C., Wu J.-C. Efficiency Improvement in Charge Pump Circuits. IEEE J. Solid-State Circuits. 1997;32(6):852−860. https://doi.org/10.1109/4.585287

15. Hsu 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.pdf

16. Vitchev 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_parameters

17. Битюков 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.

18. 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-2017-5-4-13-21

19. Битюков 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.

20. 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-2016-4-3-37-52

21. Никитин Е. Методы уменьшения входных пульсаций для преобразователей с накачкой заряда. Компоненты и технологии. 2003;5:58−60.

22. Barbehenn G.H. Малошумящий повышающе-понижающий регулируемый преобразователь напряжения с выходным током 250 мА на основе зарядового насоса. РадиоЛоцман. 2014;2:31−34.

23. 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-2020-8-1-80-96

24. Латыев 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 с