LTspice負(fù)壓電荷泵的振蕩器頻率分析

繼續(xù)深入研究一個(gè)可以產(chǎn)生負(fù)電源電壓的簡(jiǎn)單SPICE電路，我們將考慮振蕩器頻率對(duì)系統(tǒng)性能參數(shù)的影響。

首先，我們來(lái)介紹一下圖1所示的原理圖，它向你展示了一個(gè)使用兩個(gè)電容器、四個(gè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)方波來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓反轉(zhuǎn)的LTspice版本的電路。這將是貫穿本文的示例原理圖。

圖1. 一個(gè)LTspice電路使用兩個(gè)電容器、四個(gè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)方波來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓反轉(zhuǎn)。

接下來(lái)，在對(duì)這一數(shù)字和我們的整體主題看得太深入之前，讓我們簡(jiǎn)單回顧一下以前文章中的一些關(guān)鍵啟示：

倒置的電壓是不調(diào)控的。它可以作為一個(gè)電源發(fā)揮作用，但輸出電壓將隨著負(fù)載電流的增加而降低。

如果我們采取措施降低有效輸出電阻，輸出電壓對(duì)負(fù)載電流的敏感度會(huì)降低。

模擬幫助我們確定在給定的負(fù)載電流下，電路是否能提供足夠的輸出電壓幅度。

電路的充電/放電周期導(dǎo)致了fOSC的輸出紋波--即控制開(kāi)關(guān)的方波頻率。

我們可以通過(guò)選擇一個(gè)低ESR的輸出電容，增加輸出電容，或?qū)⑤敵鲭妷和ㄟ^(guò)線性穩(wěn)壓器來(lái)減少輸出紋波。

到目前為止，我一直在使用500kHz的振蕩器頻率。你可能已經(jīng)想知道我是如何得出這個(gè)數(shù)字的。為什么不是50千赫？或5兆赫？在這篇文章中，我們將重點(diǎn)討論振蕩器頻率在系統(tǒng)中的作用，并討論增加或減少fOSC的利弊。

初始振蕩器頻率--使用LTspice .param特性

一個(gè)好的起點(diǎn)是在100 kHz和1 MHz之間。我的直覺(jué)告訴我，對(duì)于這種類型的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這些是合理的頻率，而且，我知道基于電感的切換器經(jīng)常在這個(gè)范圍內(nèi)工作。

在任何情況下，當(dāng)你用模擬方法工作時(shí)，改變頻率是很容易的，所以沒(méi)有必要太擔(dān)心初始頻率的問(wèn)題。只要你從一個(gè)能準(zhǔn)確表示電路基本功能的頻率開(kāi)始，你就能有效地開(kāi)始優(yōu)化過(guò)程，從而為特定的應(yīng)用找到合適的頻率。

順便說(shuō)一下，如果你利用LTspice的.param功能，改變頻率就更加容易了（圖2）。

圖2. 圖1中的原理圖部分顯示了LTspice中的.param功能。

在這里我有一個(gè).param語(yǔ)句，我定義了振蕩器的頻率（Fosc）。邏輯高電平持續(xù)時(shí)間（Ton）和周期是由Fosc計(jì)算出來(lái)的，我在PULSE組件的字段中使用Ton和周期參數(shù)（不要忘記大括號(hào)?。?。這個(gè)方便的技巧可以節(jié)省很多時(shí)間，而且在原理圖上看到頻率也很有幫助。我通常用頻率而不是周期來(lái)思考問(wèn)題，對(duì)我來(lái)說(shuō)，試圖反復(fù)將PULSE(0 5 1u 0 0 0.68u 1.36u)這樣的東西解碼成頻率是有點(diǎn)令人厭煩。

負(fù)電壓電荷泵的頻率和能量

告知頻率優(yōu)化的基本現(xiàn)象是能量。在物理系統(tǒng)中，一般的規(guī)則是，更高的頻率對(duì)應(yīng)更高的能量。如果我們記住運(yùn)動(dòng)與能量直接相關(guān)--更確切地說(shuō)，是動(dòng)能，這在直覺(jué)上是有道理的。如果你打開(kāi)和關(guān)閉一個(gè)電燈開(kāi)關(guān)，你的手指在移動(dòng)時(shí)就會(huì)消耗能量。如果你更頻繁地按動(dòng)開(kāi)關(guān)--不改變?nèi)魏纹渌麞|西--你必須在相同的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生更多的手指運(yùn)動(dòng)；因此，你在每單位時(shí)間內(nèi)消耗更多的能量，這就是力量的科學(xué)定義。同樣，電壓在5V和地面之間的 "運(yùn)動(dòng) "涉及到能量的使用，如果這種電壓轉(zhuǎn)換發(fā)生得更頻繁，那么每單位時(shí)間就需要更多能量。

負(fù)電壓電荷泵中的振蕩器是發(fā)生反轉(zhuǎn)的基本能量來(lái)源。實(shí)際上，如果你回頭看看我設(shè)計(jì)的SPICE原理圖，振蕩器位于其他組件之上，其輸出分布在所有四個(gè)開(kāi)關(guān)上，就好像它是一個(gè)電源。這就是我對(duì)這樣一個(gè)系統(tǒng)中的振蕩器的看法。基本上，它使用電壓 "運(yùn)動(dòng) "來(lái)轉(zhuǎn)移和分配能量，有效地完成了將輸入電壓拉到地線以外并進(jìn)入負(fù)電壓區(qū)域的工作。

開(kāi)關(guān)電容電路頻率的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

如果fOSC太低，開(kāi)關(guān)系統(tǒng)就會(huì)缺乏動(dòng)力，這表現(xiàn)為供應(yīng)負(fù)載電流的能力下降，換句話說(shuō)，就是輸出電阻增大。事實(shí)上，一個(gè)理想化的開(kāi)關(guān)電容電路的輸出電阻與振蕩器頻率（以及C1的值）成反比。在這種情況下，"理想化 "意味著我們忽略了開(kāi)關(guān)元件的電阻和電容器的等效串聯(lián)電阻（ESR）。

從這里，你可以在圖3中看到fOSC和ROUT之間的關(guān)系。

圖3. 顯示fOSC和ROUT之間關(guān)系的圖。

在低負(fù)載電阻的情況下，隨著振蕩器頻率的降低，穩(wěn)態(tài)輸出電壓的幅度明顯下降。

在圖中，不同的顏色代表：

綠色軌跡 = 100 kHz

米色軌跡=500千赫

紅色軌跡=1MHz

另外，在這個(gè)模擬中，C1=1μF，C2=3μF。

如果fOSC太高，開(kāi)關(guān)系統(tǒng)可以獲得比它需要的更多的能量，整個(gè)電路僅僅為了維持運(yùn)行而耗散更多的功率。更高的頻率也更有可能產(chǎn)生有問(wèn)題的電磁干擾（EMI）。

你可以通過(guò)提高振蕩器的頻率來(lái)減少輸出紋波（圖4）。

圖4. 顯示三個(gè)不同頻率的紋波幅度的圖。

上面的圖顯示了同一電路在三種不同振蕩器頻率下的紋波幅度。

綠色痕跡 = 100 kHz

米色軌跡 = 500 kHz

紅色痕跡=1兆赫

另外，對(duì)于這個(gè)模擬，C1=1μF，C2=3μF。

如果你真的需要最小化紋波，這是一個(gè)值得的技術(shù)，但在你采取任何行動(dòng)之前，重要的是真正了解你的系統(tǒng)的電源要求。在放大的范圍顯示上看起來(lái)很糟糕的紋波可能對(duì)由該紋波電壓供電的組件的性能沒(méi)有任何有意義的影響，而且你不希望為了減少實(shí)際上沒(méi)有損害操作的紋波而降低效率或加劇EMI問(wèn)題。

綜上所述，為開(kāi)關(guān)電源選擇一個(gè)振蕩器頻率是一個(gè)平衡的行為。仿真可以幫助你優(yōu)化你的設(shè)計(jì)，你可以考慮用可變頻率的振蕩器建造一個(gè)原型。在任何情況下，請(qǐng)記住基本的權(quán)衡：較高的頻率有利于性能，即較低的輸出電阻和較低的紋波，較低的頻率可以延長(zhǎng)電池壽命。

本文編譯自：ALLABOUTCIRCUITS

審核編輯：湯梓紅