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利用saber仿真理解开关电容式电源原理

引言:继续说说正电源转负电源的原理,这里通过仿真得到直观的结果,供大家查看。


       上次对开关电容式专用芯片转换原理做了比较详细的介绍,由于时间关系,对分立元器件搭建的开关电容式原理只是做了简单的介绍,这次我们通过利用Saber仿真来理解电路原理。


       首先我们给出下面电路图,如下图是利用Saber仿真软件绘制的电路;


       电路主要组成部分


       ①脉冲源,即一定频率的方波振荡器,这里我们选择频率20kHz,占空比D=50%的方波信号源,Saber设置(周期"period",有效脉冲宽度"width",幅值"pulse")


       ②直流电源,这里我们选择正15V


       ③推挽开关电路,承担电源变换,主要器件有NPN三极管Q1、PNP三极管Q2、无源二极管开关D1和D2以及变换储能电容C1和C2

二极管D1和D2选择压降较低的肖特基为宜。


       ④假负载,阻性负载r3(实际电路中,根据情况选电阻大小)


      工作过程:驱动源在"高电平"情况下,开关管Q1导通,Q2截止,直流供电电源给中间转换电容C1充电;当驱动源为低电平时,开关管Q2导通,Q1截止,C1的电能通过Q2转入输出电容C2。如下波形图是在开启1ms内的情况,中转电容C1电压逐渐上升,输出电容电压逐渐向反方向上升,出现负压给负载供电。


        随着时间的推移,中转电容C1和负载电容C2电压逐渐到达稳态,波形如下:

最终稳态下,中转电容C1两端的电压约为+4.26V(波形坐标查看),输出电容C2两端电压约为-3.63V(波形图中查看)。


       结果分析

      上述,我们驱动源幅值是5V,直流电源是15V,为何得到输出电压Vout只有-3.63V呢?我们得到一个既小于5V更是小于15V的输出电压。


      ①为什么C1电压是4.26V?如下图,中转电容C1充电,Q1要导通,基极电压必须要大于开通阈值,对于锗管VBE≥0.3V,无源二极管开关D1选择肖特基,正向导通压降VF≈0.3左右,所以中转电容C1上的电压是由驱动源幅值决定的,因为至少要保证Q1导通,所以C1的电压是5V-VBE-VF≈4.26V。


      ②为什么输出电压是-3.63V?,如下图,当驱动源为低电平时,Q2导通,所以要给输出电容C2充电,必须除去Q2的饱和压降VCE和D2的正向导通压降,所以Vout≈-(4.26V-VCE-VF)≈-3.63V,这里由于Q1和Q2开关转换,直流源给C1充电,C1作为一个单独的电源,给C2电容泄放电荷,由于C2正向正好是系统参考地,电位为"零",从如图Vout引出的电压到参考地"gnd"刚好为负。


      改进直流供电:

   

     上面电路直流电源是15V,当用5V作为驱动源是不合理的,因为每当开关开通,15V直流电源给C1充电至4.26V,剩余电压大部分降落在开关管Q1上面,Q1其实工作在了线性区而不是饱和区,这样导致Q1称为一个电阻,发热严重。根据上述结果分析,直流电源我们就选5V,这样对于Q1来说,多数时间工作接近饱和区,电源整体效率也会高一些,所以驱动源和直流供电幅值相等才是比较合理的。


       看下面放在同一个坐标下的的波形:

       局部放大波形,可以看出5V直流供电得到的输出负压和上面直流供电15V得到的负压接近相等,并且输出电压更容易达到稳态。


      总结:

      ①上述电路采用开关电容式转换原理得到负压;


      ②输出负压大小由驱动源决定,一般情况下选择驱动源和直流供电的幅值相等,避免开关管工作在线性区而产生额外损耗;


      ③选择无源开关二极管时尽量选择肖特基二极管,避免输出电压幅值的更大损失;


      ④选择驱动电阻"r1",为了开关速度的要求以及开关管工作状态的原因,应不宜过大,选择10ohm---22ohms即可,尽量让NPN三极管工作在饱和区。


     ⑤上述电路,对于5V直流供电和5V驱动得到的负压,一般会低于5V,对于运放采样接近0V的信号,供个小负压电源,使得运放在0V附近的线性度更好,采样会更加准确;或者对霍尔供电也可以。


     ⑥如果采用上面电路要得到更高电压的负电源,我们的办法就是提高驱动源的幅值,对应提高直流供电电源幅值。驱动源可以采用"无稳态"触发电路(如CD40106、CD4093等带有"非"逻辑的芯片均可实现"无稳态"振荡器)或者由单片机或者DSP等控制芯片给一个一定频率的方波即可。

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