Analyse einer Ladungspumpe mit negativer Spannung in LTspice – Quellen- und Lastwiderstand

Zuvor habe ich einen Artikel geschrieben, in dem die Grundprinzipien der negativen Spannung erklärt wurden, und ich habe dieses Thema mit einem LTspice-Labor fortgesetzt, das Simulationen verwendet hat, um negative Spannung als etwas aufzuklären, das in elektrischen Schaltkreisen auftritt und von diesen erzeugt wird. Im Rahmen dieses LTspice-Labors werde ich auch eine Schaltungstopologie vorstellen, die eine negative Spannung erzeugen kann, die stabil ist und andere Komponenten mit Strom versorgen kann.

In dieser neuen Artikelserie möchte ich einen detaillierteren Blick auf die Funktionsweise dieses negativen Spannungskreises werfen, mit dem Ziel, unser Verständnis dafür zu verbessern, wie ein echtes Netzteil mit geschalteten Kondensatoren und Netzteile im Allgemeinen funktionieren. optimiert werden kann.

Bevor wir tiefer eintauchen, werfen wir einen Blick auf Abbildung 1, die die Ladungspumpenschaltung zeigt, die ich zuvor im letzten Artikel über negative Spannung vorgestellt habe.

Im Schaltplan erzeugt V1 die Eingangsspannung und V2 erzeugt eine 500-kHz-Rechteckwelle, die alle vier Schalter steuert. Aufgrund der unterschiedlichen Widerstandswerte, die den Ein- und Ausschaltzuständen in den Modellen SW1 und SW2 zugewiesen sind, sind S1 und S3 eingeschaltet, wenn S2 und S3 ausgeschaltet sind, und umgekehrt. Die Quellenspannung lädt den Kondensator C1 auf, wenn S1 und S3 den Stromfluss zulassen, dann ändern alle vier Schalter ihren Zustand, sodass sich C1 in die rechte Seite des Stromkreises entlädt.

Als nächstes erhält C2 eine Potentialdifferenz, die der Quellenspannung V1 entspricht. Da jedoch der Anschluss mit der höheren Spannung von C2 geerdet ist, muss der Anschluss mit der niedrigeren Spannung in den negativen Spannungsbereich wechseln. Somit ist die Spannung am INVERTED-Knoten gleich negativ V(SOURCE). Mit anderen Worten: VOUT = –VIN.

Das Diagramm unten (Abbildung 2) zeigt, wie die Ausgangsspannung auf –VIN absinkt und dann dort bleibt.

Vielleicht fragen Sie sich, ob die Schaltung mit geschalteten Kondensatoren zu schön ist, um wahr zu sein. Nur zwei Kondensatoren, vier Schalter und eine Rechteckwelle? Ist das alles, was wir brauchen, um eine gut geregelte negative Spannungsversorgungsschiene zu erzeugen? Nicht ganz; Diese Schaltung ist eigentlich kein Spannungsregler.

Es handelt sich nicht um einen Spannungsregler, da ihm etwas fehlt, das für den Betrieb sowohl von Linearreglern als auch von Schaltreglern von zentraler Bedeutung ist: ein Rückkopplungssubsystem. Regler sorgen für stabile, vorhersehbare Versorgungsspannungen, indem sie den Ausgang überwachen und Lastschwankungen durch negative Rückkopplung ausgleichen.

Unsere Ladungspumpe mit geschalteten Kondensatoren verfügt über kein negatives Rückkopplungssystem, und folglich führt eine Verringerung des Lastwiderstands zu einer entsprechenden Verringerung der Ausgangsspannung. Dies liegt daran, dass das Ausgangsnetzwerk im Wesentlichen ein Spannungsteiler ist. Vor diesem Hintergrund haben wir die volle –VIN am Ausgang, wenn RLOAD = 100 kΩ, nur weil 100 kΩ viel höher ist als der Quellenwiderstand (ROUT) der Ladungspumpe. Wenn RLOAD in Richtung ROUT abnimmt, wird die Spannung gleichmäßiger zwischen diesen beiden Widerständen aufgeteilt und somit nimmt die Ausgangsspannung (dh die Spannung über RLOAD) ab.

Sie können dies auch im Hinblick auf den Laststrom berücksichtigen. Nehmen wir an, dass sich der Betrieb der Lastschaltung so ändert, dass die Versorgung mehr Strom liefern muss (dies entspricht elektrisch einer Reduzierung von RLOAD). Wenn dies geschieht, fließt mehr Strom durch ROUT, es fällt mehr Spannung über ROUT ab und ein kleinerer Anteil der Eingangspotentialdifferenz steht am Ausgangsknoten zur Verfügung.

Wir können einen .step-Textbefehl verwenden, der direkt im LTspice-Schaltplan platziert wird, um die Auswirkung unterschiedlicher RLOAD visuell zu beurteilen:

Diese Anweisung bewirkt, dass die Simulation für jeden Wert in der Liste, die an die Variable LOAD angehängt ist, einmal ausgeführt wird. Wir möchten diese Werte der RLOAD-Komponente zuweisen und erreichen dies, indem wir {LOAD} (vergessen Sie die geschweiften Klammern nicht) im Komponentenwertfeld verwenden (siehe Abbildung 3):

Das Ergebnis ist in Abbildung 4 unten zu sehen.

Die drei höchsten Widerstandswerte (100 kΩ, 10 kΩ, 1 kΩ) führen alle zu einer ähnlichen Leistung, und die diesen drei Werten entsprechenden Spuren sind nahezu nicht zu unterscheiden. Bei 100 Ω (beige Kurve) bemerken wir jedoch einen Rückgang der Ausgangsspannung, und bei 10 Ω (grüne Kurve) ist der Rückgang ziemlich stark.

(Sie haben sicher auch bemerkt, dass die Spannungswelligkeit deutlich zunimmt, wenn der Lastwiderstand abnimmt. Wir werden das in Teil 2 besprechen.)

Mithilfe von Simulationen wie dieser können wir feststellen, ob die Schaltung für eine bestimmte Anwendung eine ausreichende Ausgangsspannung aufrechterhält. Nehmen wir an, wir benötigen eine negative Spannung, um eine Komponente mit einem Versorgungsbedarf von –5 V ± 0,3 V zu versorgen; Die minimal akzeptable Spannungsgröße beträgt in diesem Fall 4,7 V. Ausgehend von unseren vorherigen Ergebnissen erstellen wir eine weitere Simulation (Abbildung 5) mit RLOAD-Werten, die uns in die Nähe des relevanten Spannungsschwellenwerts bringen.

Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass der minimale sichere RLOAD etwas unter 70 Ω liegt. Wir nennen es 65 Ω. Eine Single-Run-Simulation mit RLOAD = 65 Ω bestätigt, dass wir (theoretisch) im akzeptablen Bereich liegen, was unten in Abbildung 6 zu sehen ist.

Das Ohmsche Gesetz sagt uns, dass der Laststrom bei RLOAD = 65 Ω ungefähr 74 mA beträgt – Sie können dies bei Bedarf durch Simulation bestätigen. Daraus schließen wir, dass die Ladungspumpe in der Lage sein wird, eine ausreichende negative Versorgungsspannung für die betreffende Komponente aufrechtzuerhalten, wenn der Gesamtlaststrom weniger als 74 mA beträgt.

Insgesamt haben wir einige interessante Details einer LTspice-Ladungspumpe mit geschaltetem Kondensator untersucht, dabei festgestellt, dass es sich bei der Schaltung nicht um einen Spannungsregler handelt, und .step-Simulationen verwendet, um die Laststromfähigkeiten zu bestimmen. Im nächsten Artikel werfen wir einen genaueren Blick auf Output Ripple.