Circuite de condensatoare comutate

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 20 martie 2020; verificarea necesită 1 editare .

Circuitele de condensatoare comutate sunt o clasă extinsă de soluții de circuite bazate pe comutarea periodică a condensatoarelor .

A primit cea mai mare distribuție odată cu dezvoltarea în industria de circuite integrate folosind tehnologia de izolare cu oxid (de exemplu, CMOS ). Nivelul scăzut de absorbție dielectrică și scurgerea dielectrică scăzută au făcut posibilă crearea de condensatoare de înaltă calitate, cu repetabilitate bună. În același timp, cu rezistențe în cadrul acestei tehnologii semiconductoare, totul a fost mult mai rău în ceea ce privește suprafața ocupată, repetabilitate și stabilitatea ratingurilor, capacităților parazite. Această situație a condus rapid la dezvoltarea unui număr de soluții de circuite specifice.

Trebuie remarcat faptul că soluțiile bazate pe condensatori comutați au fost utilizate anterior într-o versiune discretă în cazuri speciale.

Circuite pompate de încărcare

Circuitele pompei de încărcare ( de exemplu, pompă de încărcare , pompă de încărcare) se referă la unul dintre tipurile de convertoare DC-DC (convertoare DC-DC). Acest tip de convertor folosește condensatori pentru a stoca sarcina, care este transferată de la un condensator la altul printr-un sistem de comutatoare. Numele „pompă de încărcare” înseamnă de obicei un convertor de putere redusă în care condensatorii sunt conectați la sursa de ceas , iar diodele acționează ca întrerupătoare. Cele două stări logice de ceas ("0" sau "1") definesc cele două faze de comutare (topologii) ale circuitului pompei de încărcare. Pompele de încărcare cu două faze includ toți multiplicatorii de tensiune a diodelor, precum și unele convertoare complexe, cum ar fi Pompa de încărcare Fibonacci și Convertoarele Luo cu ridicare multiplă. Există, de asemenea, circuite cu mai multe faze de comutare (multifazate). Dacă pompa de încărcare scade tensiunea și există un mecanism pentru reglarea sa lină, se folosește numele convertorului de condensator comutat (PPC). Tensiunea de ieșire a FPC la ralanti în regim staționar poate fi găsită prin rezolvarea unui sistem de ecuații liniare. Cu condiția ca toată sarcina primită să fie transferată la ieșire, eficiența PPC este egală cu raportul dintre tensiunea de ieșire și tensiunea în circuit deschis.

Multiplicatori de tensiune

Divizoare de tensiune

Filtre

Filtru trece jos

Figura din dreapta arată un filtru trece-jos clasic pe un lanț RC. Frecvența de tăiere a lanțului RC este calculată prin formula

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

Pentru un circuit de condensator comutat, frecvența de tăiere este calculată cu înlocuirea rezistenței (vezi „Înlocuirea rezistențelor integrate” de mai jos) folosind formula

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

Unde:

$f_{0}$ este frecvența de tăiere a filtrului,
$C_{1}$ și sunt capacitățile condensatoarelor, $C_{2}$
$f_{c}$ este frecvența de comutare a condensatorului.

Filtru trece banda

ADC și DAC

Sigma-delta ADC și DAC

ADC cu dublă integrare

Convertoare tensiune-frecvență

Eșantionați și mențineți dispozitivul

Amplificatoare stabilizate Chopper

O varietate de amplificatoare operaționale (amplificatoare operaționale). Pentru a combate un astfel de parametru parazit, cum ar fi tensiunea de polarizare a amplificatorului operațional, este utilizat un circuit de condensator comutat. Măsoară și își „amintește” periodic tensiunea de offset a amplificatorului operațional și o scade din tensiunea de intrare. Această soluție face posibilă construirea de amplificatoare operaționale de precizie la preț redus pentru utilizare în masă. Dezavantajele acestei soluții sunt prezența zgomotului circuitului de comutare, care, totuși, are un spectru fix și, ca urmare, poate fi ușor filtrat.

Un tip specific de amplificator de precizie este circuitul modulator-demodulator, care folosește și condensatori. Acum acest soi practic nu este folosit.

Izolare galvanică

Înlocuirea rezistențelor integrate

Se știe că puterea curentului în conductor este direct proporțională cu tensiunea aplicată și invers proporțională cu rezistența conductorului ( Legea lui Ohm pentru o secțiune omogenă a circuitului). În același timp, puterea curentului este egală cu raportul sarcinii transferate prin conductor într-un interval de timp . $eu$ $U$ $R$ $eu$ $\Delta Q$ $\Delta t$

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

și (1)

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

Unde:

I - puterea curentă,
U - tensiune sau diferență de potențial,
R este rezistența.

Rezistența circuitului este calculată prin formula

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

(2)

Transferul de sarcină prin condensator conform schemei din Fig. 2 poate fi calculat prin formula

Q=C\cdot U

(3)

Unde:

Q este sarcina condensatorului,
C este capacitatea condensatorului,
U este diferența de potențial între plăcile condensatorului.

Folosind egalitățile (2) și (3) obținem

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

Unde:

T este perioada de comutare a condensatorului,
C este capacitatea condensatorului,
f este frecvența de comutare a condensatorului.

Prin urmare, rezistența unui circuit cu un condensator comutat este invers proporțională cu produsul dintre frecvența de comutare a condensatorului și valoarea capacității acestuia.

Alte utilizări

Deplasare (transfer) stres

Vezi și

Literatură

M. Gausi, K. Lacker; Traducere din engleză. V. D. Razevici; Ed. V. I. Kapustyan. Filtre active cu condensatoare comutate. - M . : Radio și comunicare, 1986.

Calculul pierderilor de putere PPC folosind un rezistor echivalent

JC Maxwell, A Treatise on Electricity and Magnetism , Oxford, The Clarendon Press, pp. 420-425, art. 775, 776, „Curentul intermitent”, 1873.
Z. Singer, A. Emanuel și MS Erlicki, „Reglarea puterii prin intermediul unui condensator comutat”, în Proc. al Instituţiei Inginerilor Electricieni, Vol. 119, nr. 2, 1972, pp. 149-152.
G. van Steenwijk, K. Hoen și H. Wallinga, „Analiza și proiectarea unui circuit de pompă de încărcare pentru aplicații cu curent de ieșire mare”, în Proc. A 19-a Conf. europeană de circuite în stare solidă. (ESSCIRC) 1993, pp. 118-121.
JW Kimball, PT Krein și KR Cahill, „Modeling of Capacitor Impedance in Switching Converters”, IEEE Power Electronics Letters, Vol. 3, nr. 4, 2005, pp. 136-140.
K. Itoh, M. Horiguchi și H. Tanaka, Ultra-Low Voltage Nano-Scale Memories , Series on Integrated Circuits and Systems, Springer, 2007, 400p.
MD Seeman și SR Sanders, „Analiza și optimizarea convertoarelor DC-DC cu condensator comutat”, IEEE Transactions on Power Electronics, voi. 23, nr. 2, 2008, pp. 841-851.
S. Ben-Yaakov și M. Evzelman, „Generic and unified model of switched condensator converters”, IEEE Energy Conversion Congress and Expo. (ECCE) 2009, pp.3501-3508.
S. Ben-Yaakov, „On the Influence of Switch Resistances on Switched Capacitor Converters Losses”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011

Diverse ACC-uri bazate pe sistemul de numere binar

F. Ueno, T. Inoue și I. Oota, „Realizarea unui nou transformator cu condensator comutat cu un raport de transformare crescător 2 n −1 folosind n condensatori”, ISCAS 1986, pp.805-808
JA Starzyk, Y.-W. Jan și F. Qiu, „A DC-DC charge pump design based on voltage doublers”, IEEE Transactions on Circuits and Systems, Part I, Vol. 48, nr. 3, 2001, pp. 350-359
FL Luo și H. Ye, „Convertitoare Luo cu condensator comutat cu ridicare multiple cu ieșire pozitivă, împingere și tragere”, tranzacții IEEE privind electronica industrială 2004, voi. 51, nr. 3, pp. 594-602
S. Ben-Yaakov și A. Kushnerov, „Fundamentul algebric al convertoarelor de condensatoare comutate cu autoajustare”, IEEE Energy Conversion Congress and Expo. (ECCE) 2009, pp. 1582-1589.