Перейти к содержанию

Удвоитель напряжения: схема на диодах от вывода МК и на микросхеме LM2663

Иногда нужен небольшой ток при напряжении выше питания: смещение для датчика, затвор ключа, питание ОУ. Дроссель для этого не обязателен — хватит двух конденсаторов и ключей. Разбираем дискретный удвоитель на двух диодах Шоттки, который качает вывод ШИМ микроконтроллера, и микросхему LM2663 в режиме удвоения: сколько вольт остаётся под нагрузкой, какие пульсации и почему конденсатор на бумаге и на плате — не одно и то же.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Удвоитель напряжения на конденсаторах — зарядовый насос (charge pump): летающий конденсатор сначала заряжается от источника, а потом его «поднимают» и складывают с источником, отдавая заряд на выходной конденсатор. Индуктивность не нужна, но и ток невелик, а выход не стабилизирован. Как работает насос в общем виде — в статье «Зарядовый насос»; если нужны сотни миллиампер и стабильное напряжение, выбирают повышающий преобразователь.

Коротко

На диодах от ШИМ
3,3 В → 5,2–5,4 В при 1 мА
LM2663
5 В → 9,7 В при 30 мА
Выход LM2663
2·Vin − I·Rout, Rout ≈ 10 Ом с 10 мкФ
Пульсации
I/(f·C) + ESR-составляющая
Диоды
Шоттки BAT54, 1N5817
Конденсаторы
керамика X5R и лучше

Удвоитель на диодах от вывода ШИМ

Удвоитель напряжения на двух диодах от вывода ШИМ микроконтроллераВывод микроконтроллера с ШИМ 100 кГц, 50 %, через резистор R1 150 Ом и конденсатор C1 100 нФ подключён к средней точке удвоителя. От шины +3,3 В в эту точку идёт диод VD1 BAT54 анодом к шине. Из средней точки диод VD2 BAT54 анодом к ней передаёт заряд на выходной конденсатор C2 1 мкФ, к которому подключена нагрузка. Пока вывод в нуле, C1 заряжается через VD1 почти до 3,3 В; когда вывод переходит в единицу, напряжение на C1 складывается с напряжением вывода, и C2 заряжается почти до удвоенного напряжения за вычетом падений на диодах.+3,3 ВVD1BAT54ШИМ 100 кГцR1150 ОмC1100 нФVD2BAT54C21 мкФ≈ 2·3,3 ВUвых ≈ 2·UDD − UVD1 − UVD2 − 4·Iн·R1 (TI SLVA398A)

TI описывает эту схему для повышающего преобразователя: летающий конденсатор качает его переключающийся узел (SLVA398A, рис. 3). Вывод микроконтроллера с ШИМ работает так же. Пока вывод в нуле, C1 заряжается через VD1 от шины 3,3 В почти до 3,3 В. Когда вывод переходит в единицу, нижняя обкладка C1 поднимается на 3,3 В, верхняя оказывается почти на 6,6 В, и через VD2 заряд переходит в C2.

Расчёт: STM32 с питанием 3,3 В, ШИМ 100 кГц, 50 %, нагрузка 1 мА.

  1. Выход под нагрузкой. По ур. 8 SLVA398A, пренебрегая сопротивлениями диодов и ESR керамики,
Uвых≈2Uпит−UVD1−UVD2−4IнR1.U_\text{вых} \approx 2U_\text{пит} - U_{VD1} - U_{VD2} - 4 I_\text{н} R_1.

У TI вместо одного из двух слагаемых Uпит стоит размах переключающегося узла; у нас это размах вывода, те же 3,3 В. Падение BAT54 при 1 мА — не больше 0,32 В (onsemi BAT54LT1/D). R1 — это внешний резистор плюс выходное сопротивление вывода. Последнее оценим по таблице ST: 0,4 В при 8 мА, то есть до 50 Ом (наша оценка; DS5319, табл. 37). С внешним R1 = 150 Ом всего от 150 до 200 Ом; для худшего случая берём 200 Ом:

Uвых≈6,6−0,64−0,8≈5,2 В.U_\text{вых} \approx 6{,}6 - 0{,}64 - 0{,}8 \approx 5{,}2\ \text{В}.

Если сопротивление вывода близко к нулю — около 5,4 В. Без нагрузки, когда ток диодов доли миллиампера (0,24 В при 0,1 мА), — около 6,1 В. При 3 мА в худшем случае — около 3,4 В: каждый миллиампер стоит до 0,8 В, и диоды падают сильнее. Если питание микроконтроллера 3,0 В, выход при 1 мА — около 4,6 В.

  1. Зачем R1. TI ставит резистор перед летающим конденсатором, чтобы ограничить броски тока при заряде (разд. 4.2). Для вывода микроконтроллера это ещё важнее. Пока C2 не заряжен, C1 перезаряжается в обе стороны: в единице он отдаёт заряд в C2 и уходит в обратную полярность, и в нуле ток идёт под напряжением питания плюс напряжение C1. Наименьшее сопротивление вывода даташит не нормирует, поэтому бросок оценивают по одному R1: со 100 Ом он доходил бы примерно до 37 мА, со 150 Ом — около 23 мА (оценка по модели качания при незаряженном C2). Это ниже ±25 мА предельного тока вывода STM32F103 (DS5319, табл. 7), но выше 20 мА ослабленного режима и 8 мА нормального, поэтому меньше 150 Ом R1 не берут, а для запаса — 220 Ом (около 16 мА, выход при 1 мА — 4,9–5,1 В).

  2. Пульсации. По ур. 5 SLVA398A пульсации на конденсаторе равны I · D/(f · C) плюс I · ESR. Для C2 1 мкФ: 1 мА · 0,5 / (100 кГц · 1 мкФ) = 5 мВ. Для C1 100 нФ — 50 мВ, ниже 100–500 мВ, которые TI считает разумными для летающего конденсатора (разд. 4.1).

  3. Конденсаторы и диоды. Керамика X5R и лучше, с номинальным напряжением вдвое выше рабочего: под постоянным смещением керамика теряет ёмкость, у конденсатора на 50 В при 30 В — 50 % и больше (TI, разд. 5). Диоды — Шоттки с малым прямым падением; обратное напряжение на них не превышает удвоенного питания, у BAT54 запас 30 В.

Этот удвоитель годится для смещения, затвора маломощного ключа или подтяжки — там, где ток не больше единиц миллиампер. Пока ШИМ остановлен, выход разряжается нагрузкой; при сбросе микроконтроллера его тоже нет.

Удвоитель на LM2663

Удвоитель напряжения на LM2663Входное напряжение 5 В подано на вывод GND (3) микросхемы DA1 LM2663 и через диод Шоттки VD1 1N5817 анодом к входу — на вывод V+ (8), который в режиме удвоения служит выходом. Конденсатор C1 10 мкФ включён между выводами CAP+ (2) и CAP− (4). Выводы OUT (5) и LV (6) соединены с общим проводом, вывод SD (1) соединён с входом, то есть с выводом GND (3): на общем проводе он вышел бы за допустимые пределы. Вывод OSC (7) свободен. На выходе V+ — конденсатор C2 10 мкФ на общий провод и нагрузка. Без нагрузки выход равен удвоенному входу, под нагрузкой меньше на ток, умноженный на выходное сопротивление.Uвх 5 ВVD11N5817C110 мкФDA1LM2663SD1CAP+2GND3CAP−4V+8OSC7LV6OUT5C210 мкФ≈ 10 Всвободен

LM2662 и LM2663 — зарядовые насосы TI с ключами внутри: основное их назначение — инвертор, но их можно включить и удвоителем (SNVS002E, разд. 9.2.2). Вход подают на вывод GND (3), выводы OUT (5) и LV (6) соединяют с общим проводом, выход — V+ (8). В режиме удвоения вход — от 2,5 до 5,5 В. Без нагрузки выход ровно вдвое больше входа: диод VD1 нужен только для пуска — он поднимает V+, чтобы запустился генератор, и не даёт открыться паразитному диоду микросхемы. TI советует 1N5817, а при нарастании входа медленнее 10 В/мс — диод поменьше. Вывод 1 у LM2663 — SD, и в режиме удвоения его нельзя соединять с общим проводом схемы. Его допустимое напряжение отсчитывается от V+: не ниже V+ − 6 В (разд. 6.1), то есть при выходе 10 В — не ниже 4 В, а порог выключения в режиме удвоения — выход минус 3 В (сноска 4 к разд. 6.5). Уровень «работа» отсчитывается от вывода GND, а в удвоителе на нём вход. Поэтому SD соединяют с входом (выводом 3): при входе 5 В это 0 В относительно GND, выше 4 В по пределу и ниже 7 В порога выключения. На рис. 27 TI вывод 1 не подключён. При входе ниже 3 В соотношения другие — проверьте их по разд. 6.1 и 6.5. Внешнее тактирование в режиме удвоения не допускается.

Расчёт: 5 В → 10 В при 30 мА, C1 = C2 = 10 мкФ, керамика.

  1. Выходное сопротивление по ур. 1 даташита:
Rвых≈2RSW+2fC1+4E1+E2,R_\text{вых} \approx 2R_{SW} + \frac{2}{f C_1} + 4 E_1 + E_2,

где f — частота генератора, E1 и E2 — ESR конденсаторов.

При 150 кГц и 10 мкФ второе слагаемое — 1,3 Ом, при наименьших 55 кГц — 3,6 Ом; ESR керамики (0,025 Ом по рис. 26) добавляет 0,13 Ом. Сопротивление ключей отдельно не нормировано, а всё выходное сопротивление — не больше 7 Ом при 200 мА (разд. 6.5), но измерено оно с конденсаторами 47 мкФ. Если считать, что в эти 7 Ом входит 2/(f·C1) с 47 мкФ при 55 кГц (0,8 Ом), на ключи остаётся до 6 Ом, и с 10 мкФ выходное сопротивление — до 6 + 3,6 + 0,13 ≈ 9,8 Ом (наша оценка). При 30 мА выход не ниже 10 − 0,29 ≈ 9,7 В, а при входе 4,75 В — 9,2 В. Керамика X7R под 10 В теряет ёмкость, и сопротивление ещё растёт — поэтому конденсаторы берут на большее напряжение.

  1. Пульсации по ур. 2:
Uп=IнfC2+2IнE2.U_\text{п} = \frac{I_\text{н}}{f C_2} + 2 I_\text{н} E_2.

При 150 кГц — 30 мА / (150 кГц · 10 мкФ) + 2 · 30 мА · 0,025 Ом ≈ 21 мВ, при 55 кГц — около 56 мВ.

  1. Предельные режимы. Между V+ и GND и между GND и OUT допускается не больше 6 В, поэтому вход ограничен 5,5 В, а выход — 11 В. Ток — до 200 мА (предельно 250 мА); замыкать выход на землю можно не дольше секунды и только при температуре до 85 °C. RθJA корпуса SOIC-8 — 170 °C/Вт.

  2. КПД. Без учёта тока покоя насос теряет I2Rвых: при 30 мА и 9,8 Ом — 9 мВт на 0,29 Вт выхода. Ток покоя LM2663 1,3 мА (до 4 мА) при 5 В добавляет 6,5 мВт (до 20 мВт). Выходное напряжение при этом меньше удвоенного, и КПД насоса определяется в основном отношением выхода к удвоенному входу — около 97 % (наш расчёт).

Если нужно стабильное напряжение, за удвоителем ставят LDO — TI приводит схему, где LM2663 удваивает 3,3 В, а стабилизатор LP2986 даёт 5 В при 200 мА (рис. 23).

Сравнение

На диодах от ШИМLM2663
Детали2 диода, 2 конденсатора, резистормикросхема, 2 конденсатора, диод
Без нагрузки2·Uпит − 2·UF ≈ 6,1 В от 3,3 Вровно 2·Uвх
Токединицы мАдо 200 мА
Выходное сопротивление4·R1 — сотни омдо 7 Ом с 47 мкФ, около 10 Ом с 10 мкФ
Занимает таймер МКданет
Входное напряжениелюбое, ограничено диодами и конденсаторами2,5–5,5 В

Детали

ПозицияДетальПримечание
VD1, VD2 (схема 1)BAT5430 В, до 0,32 В при 1 мА
C1 (схема 1)100 нФ, X7R, 16 Влетающий
C2 (схема 1)1 мкФ, X7R, 16 Ввыходной
R1 (схема 1)150 Ом, лучше 220 Омограничивает бросок тока вывода
DA1 (схема 2)LM2663вход 2,5–5,5 В
C1, C2 (схема 2)10 мкФ, X7R, 16 В и вышеёмкость под смещением 10 В заметно меньше
VD1 (схема 2)1N5817только для пуска

Почему не работает

  • На выходе удвоителя на диодах почти нет напряжения. ШИМ не запущен или вывод настроен как вход. Проверьте осциллографом, что на выводе прямоугольник 0–3,3 В.
  • Выход проседает под нагрузкой сильнее расчёта. Велико сопротивление цепи заряда: R1 и сопротивление вывода входят в падение с множителем 4. Уменьшите ток нагрузки или поставьте LM2663.
  • Пульсации больше расчётных. Ёмкость керамики под напряжением меньше номинала, особенно у маленьких корпусов. Возьмите конденсатор на большее напряжение или большей ёмкости.
  • LM2663 не запускается. Нет диода VD1 или вход нарастает так, что генератор не стартует: напряжение между V+ и LV должно превысить 1,5 В. Не забудьте соединить LV и OUT с общим проводом, а SD — с входом: на общем проводе SD выходит за допустимые пределы.
  • LM2663 горячий. Выход замкнут или нагрузка больше 200 мА. Короткое замыкание допускается не дольше секунды.

Частые вопросы

Сколько тока можно взять с удвоителя от вывода микроконтроллера?

Единицы миллиампер. Ток вывода ограничен (у STM32F103 — до 25 мА предельно), а выходное напряжение падает на учетверённое сопротивление цепи заряда на каждый миллиампер: с R1 150 Ом и сопротивлением вывода до 50 Ом это до 0,8 В на миллиампер. При 1 мА от 3,3 В получается 5,2–5,4 В, при 3 мА — около 3,4 В в худшем случае.

Почему без нагрузки удвоитель на диодах даёт меньше удвоенного напряжения?

Каждый диод отнимает своё прямое падение. У BAT54 при малом токе это около 0,22–0,24 В, поэтому от 3,3 В получается около 6,1 В, а не 6,6 В. У LM2663 диод в цепи заряда не стоит, и без нагрузки выход ровно вдвое больше входа.

Можно ли так получить отрицательное напряжение?

Да, это та же схема с развёрнутыми диодами: летающий конденсатор заряжается, а потом его плюс прижимается к земле. Основное назначение LM2662/LM2663 — как раз инвертор, он даёт −Vin при входе от 1,5 до 5,5 В.

Какие конденсаторы ставить в удвоитель?

Керамику с малым ESR: ESR летающего конденсатора входит в выходное сопротивление с множителем 4, выходного — с множителем 1. TI советует X5R и лучше и номинальное напряжение с двукратным запасом, потому что керамика под постоянным напряжением теряет ёмкость.

Источники

  1. Texas Instruments. Design for a Discrete Charge Pump (SLVA398A, revised July 2010) — рис. 3 — удвоитель на двух диодах и двух конденсаторах от переключающегося узла; разд. 2 — C1 заряжается через D1 до VS − VD1, затем поднимается, C2 заряжается через D2 почти до 2·VS; ур. 2–4 и 8 — выход под нагрузкой с учётом падений на диодах, их сопротивления, ESR конденсаторов и резистора R1, в ур. 8 — 4·IO·R1; ур. 5 — пульсации IOUT·D/(f·C) + IOUT·ESR; разд. 4.1 — пульсации на летающем конденсаторе 100–500 мВ, керамика X5R, конденсаторы на двойное напряжение из-за потери ёмкости под смещением; разд. 4.2 — резистор перед летающим конденсатором ограничивает броски тока, 10 Ом — разумное значение; разд. 4.3 — диоды с малым прямым падением; пример 15 В → 27,4 В при 20 мА (измерено 27,45 В)
  2. Texas Instruments. LM2662, LM2663 Switched Capacitor Voltage Converter (SNVS002E, revised October 2014) — разд. 5 — выводы SOIC-8: 1 SD, 2 CAP+, 3 GND, 4 CAP−, 5 OUT, 6 LV, 7 OSC, 8 V+, назначение в режиме удвоения; разд. 6.1 — до 6 В между V+ и GND и между GND и OUT, ток до 250 мА, кристалл до 150 °C; разд. 6.3 — удвоитель 2,5–5,5 В; разд. 6.4 — RθJA 170 °C/Вт; разд. 6.5 — ток до 200 мА, выходное сопротивление 3,5 и до 7 Ом при 200 мА (с конденсаторами 47 мкФ), генератор LM2663 150 кГц, не меньше 55 кГц, ключи на половине частоты генератора, ток покоя LM2663 1,3 мА тип., до 4 мА (0,3 мА — у LM2662 на 20 кГц); ур. 1 — Rout ≈ 2RSW + 2/(fosc·C1) + 4·ESRC1 + ESRC2; ур. 2 — пульсации IL/(fosc·C2) + 2·IL·ESRC2; разд. 9.2.2 — удвоитель: вход на GND, OUT и LV на общий провод, выход V+, без нагрузки ровно два входных, диод Шоттки D1 нужен только для пуска (1N5817, при нарастании входа медленнее 10 В/мс — MBR0520), OSC нельзя тактировать снаружи; рис. 26 — выходное сопротивление от частоты для конденсаторов 10–150 мкФ
  3. onsemi. BAT54L Schottky Barrier Diodes (BAT54LT1/D, Rev. 18, November 2024) — 30 В; ток до 200 мА; прямое напряжение при 25 °C: 0,22 и не больше 0,24 В при 0,1 мА, 0,29 и не больше 0,32 В при 1 мА, 0,35 и не больше 0,40 В при 10 мА; обратный ток 0,2 и до 2 мкА при 25 В
  4. Vishay. 1N5817, 1N5818, 1N5819: Schottky Barrier Plastic Rectifier (doc. 88525, revision 01-Jul-2020) — 1N5817 — 20 В, 1 А
  5. STMicroelectronics. STM32F103x8, STM32F103xB (DS5319, Rev 20) — табл. 37 — выход в нуле не выше 0,4 В и в единице не ниже VDD − 0,4 В при 8 мА; табл. 7 — ток вывода до ±25 мА

Нашли ошибку?

Смотрите также