Switchade kondensatorkretsar

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 20 mars 2020; verifiering kräver 1 redigering .

Switchade kondensatorkretsar är en omfattande klass av kretslösningar baserade på periodisk omkoppling av kondensatorer .

Fick den största distributionen med utvecklingen inom industrin av integrerade kretsar som använder oxidisoleringsteknik (till exempel CMOS ). Den låga nivån av dielektrisk absorption och lågt dielektriskt läckage har gjort det möjligt att skapa högkvalitativa kondensatorer med god repeterbarhet. Samtidigt, med motstånd inom ramen för denna halvledarteknik, var allt mycket sämre när det gäller det ockuperade området, repeterbarhet och stabilitet av betyg, parasitiska kapacitanser. Denna situation ledde snabbt till utvecklingen av ett antal specifika kretslösningar.

Det bör noteras att lösningar baserade på switchade kondensatorer tidigare användes i en diskret version i speciella fall.

Laddningspumpade kretsar

Laddningspumpkretsar ( eng. laddpump , laddpump ) hänvisar till en av typerna av DC-till-DC-omvandlare (DC-DC-omvandlare). Denna typ av omvandlare använder kondensatorer för att lagra laddning, som överförs från en kondensator till en annan av ett system av omkopplare. Namnet "laddningspump" betyder vanligtvis en lågeffekt boost-omvandlare där kondensatorer är anslutna till klockkällan och dioder fungerar som omkopplare. De två logiska klocktillstånden ("O" eller "1") definierar de två omkopplingsfaserna (topologierna) för laddningspumpkretsen. Tvåfasladdningspumpar inkluderar alla diodspänningsmultiplikatorer, såväl som vissa komplexa omvandlare som Fibonacci Charge Pump och Multiple-Lift Luo-omvandlare. Det finns också kretsar med flera kopplingsfaser (flerfas). Om laddningspumpen sänker spänningen och det finns någon mekanism för dess smidiga justering, används namnet på den switchade kondensatoromvandlaren (PPC). Utspänningen från FPC vid tomgång i stationärt tillstånd kan hittas genom att lösa ett system med linjära ekvationer. Förutsatt att all mottagen laddning överförs till utgången, är effektiviteten hos PPC lika med förhållandet mellan utspänningen och den öppna kretsspänningen.

Spänningsmultiplikatorer

Spänningsdelare

Filter

Lågpassfilter

Bilden till höger visar ett klassiskt lågpassfilter på en RC-kedja. Gränsfrekvensen för RC-kedjan beräknas med formeln

f_{0}={\frac {1}{2\pi \cdot R\cdot C))

För en switchad kondensatorkrets beräknas gränsfrekvensen med utbyte av motståndet (se "Byta ut integrerade motstånd" nedan) med hjälp av formeln

f_{0}={\frac {1}{2\pi \cdot R\cdot C_{2}}}=f_{c}{\frac {C_{1}}{2\pi \cdot C_ {2}}}

var:

$f_{0}$ är filtrets gränsfrekvens,
$C_{1}$ och är kondensatorernas kapacitanser, $C_{2}$
$f_{c}$ är omkopplingsfrekvensen för kondensatorn.

Bandpassfilter

ADC och DAC

Sigma-delta ADC och DAC

ADC med dubbel integration

Spännings-frekvensomvandlare

Sampla och håll enheten

Chopper stabiliserade förstärkare

En mängd olika operationsförstärkare (op-amps). För att bekämpa en sådan parasitisk parameter som förspänningen hos op-förstärkaren används en switchad kondensatorkrets. Den mäter och "kommer ihåg" regelbundet offsetspänningen för op-ampen och subtraherar den från ingångsspänningen. Denna lösning gör det möjligt att bygga billiga precisionsoperationsförstärkare för massbruk. Nackdelarna med denna lösning är närvaron av kopplingskretsbrus, som dock har ett fast spektrum och som ett resultat lätt kan filtreras bort.

En specifik typ av precisionsförstärkare är modulator-demodulatorkretsen, som också använder kondensatorer. Nu används denna sort praktiskt taget inte.

Galvanisk isolering

Byte av integrerade motstånd

Det är känt att strömstyrkan i ledaren är direkt proportionell mot den applicerade spänningen och omvänt proportionell mot ledarens resistans ( Ohms lag för en homogen sektion av kretsen). Samtidigt är strömstyrkan lika med förhållandet mellan laddningen som överförs genom ledaren i ett tidsintervall . $jag$ $U$ $R$ $jag$ $\Delta Q$ $\Delta t$

I={\frac {U}{R}}

och (1)

I={\frac {\Delta Q}{\Delta t))

var:

I - nuvarande styrka,
U - spänning eller potentialskillnad,
R är motstånd.

Kretsresistans beräknas med formeln

R={\frac {U\cdot \Delta t}{\Delta Q))

(2)

Laddningsöverföringen genom kondensatorn enligt schemat i fig. 2 kan beräknas med formeln

Q=C\cdot U

(3)

var:

Q är laddningen av kondensatorn,
C är kondensatorns kapacitans,
U är potentialskillnaden över kondensatorplattorna.

Genom att använda likheter (2) och (3) får vi

R={\frac {U\cdot T}{C\cdot U}}={\frac {T}{C}}={\frac {1}{f\cdot C}}

var:

T är omkopplingsperioden för kondensatorn,
C är kondensatorns kapacitans,
f är omkopplingsfrekvensen för kondensatorn.

Därför är resistansen hos en krets med en switchad kondensator omvänt proportionell mot produkten av omkopplingsfrekvensen för kondensatorn och värdet på dess kapacitans.

Andra användningsområden

Skift (överföring) stress

Se även

Litteratur

M. Gausi, K. Lacker; Översättning från engelska. V. D. Razevich; Ed. V. I. Kapustyan. Aktiva filter med switchade kondensatorer. - M . : Radio och kommunikation, 1986.

Beräkning av PPC-effektförluster med ett ekvivalent motstånd

JC Maxwell, A Treatise on Electricity and Magnetism , Oxford, The Clarendon Press, s. 420-425, art. 775, 776, "Intermittent ström", 1873.
Z. Singer, A. Emanuel och MS Erlicki, "Strömreglering med hjälp av en switchad kondensator," i Proc. of the Institute of Electrical Engineers, Vol. 119, nr 2, 1972, sid. 149-152.
G. van Steenwijk, K. Hoen och H. Wallinga, "Analysis and design of a charge pump circuit for high output current applications", i Proc. 19:e European Solid State Circuits Conf. (ESSCIRC) 1993, sid. 118-121.
JW Kimball, PT Krein och KR Cahill, "Modling of Capacitor Impedance in Switching Converters," IEEE Power Electronics Letters, Vol. 3, nr 4, 2005, sid. 136-140.
K. Itoh, M. Horiguchi och H. Tanaka, Ultra-Low Voltage Nano-Scale Memories , Series on Integrated Circuits and Systems, Springer, 2007, 400p.
MD Seeman och SR Sanders, "Analysis and Optimization of Switched Capacitor DC-DC Converters," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 23, nr 2, 2008, sid. 841-851.
S. Ben-Yaakov och M. Evzelman, "Generisk och enhetlig modell av switchade kondensatoromvandlare," IEEE Energy Conversion Congress and Expo. (ECCE) 2009, s. 3501-3508.
S. Ben-Yaakov, "On the Influence of Switch Resistances on Switched Capacitor Converters Losses," IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011

Olika ACC:er baserade på det binära talsystemet

F. Ueno, T. Inoue och I. Oota, "Realization of a new switched-capacitor transformator with a step-up transformer ratio 2n−1 using n capacitors", ISCAS 1986, pp.805-808
JA Starzyk, Y.-W. Jan och F. Qiu, "En DC-DC-laddningspumpdesign baserad på spänningsfördubblare," IEEE Transactions on Circuits and Systems, Del I, Vol. 48, nr 3, 2001, sid. 350-359
FL Luo och H. Ye, "Positiv utsignal med flera lyft push-pull switched-capacitor Luo-omvandlare," IEEE transaktioner på industriell elektronik 2004, Vol. 51, nr 3, sid. 594-602
S. Ben-Yaakov och A. Kushnerov, "Algebraisk grund för självjusterande switchade kondensatoromvandlare," IEEE Energy Conversion Congress and Expo. (ECCE) 2009, sid. 1582-1589.