В разд. 6.19 мы рассмотрели импульсные источники питания, упомянув их странную способность вырабатывать выходное постоянное напряжение, большее чем входное или даже противоположной полярности. Там мы упомянули также, что преобразователи напряжения с переключаемыми конденсаторами могут делать то же самое. Что же это такое «переключаемые конденсаторы»?
На рис. 6.58 показана упрощенная схема КМОП ИС 7662 фирмы Intersil с расширенной вторичной частью (обвязкой).
Рис. 6.58. Инвертор напряжения с переключаемыми конденсаторами. С1 и С 2 ‑ внешние танталовые конденсаторы емкостью 10 мкФ.
Она имеет внутренний генератор и несколько ключей КМОП; для ее работы необходимы два внешних конденсатора. Если входная пара ключей замкнута (в проводящем состоянии), С1 заряжается до Uвх; затем во время второго полуцикла С1 отключается от входа и подключается в перевернутом состоянии к выходу. Таким образом, он передает свой заряд на С2 (и нагрузку), обеспечивая на выходе напряжение, равное примерно – Uвх. С другой стороны, вы можете использовать 7662 для формирования напряжения 2 Uвх, организовав схему таким образом, что С1 будет заряжаться так, как и раньше, но затем на второй половине цикла будет подключаться последовательно с Uвх.
Такой способ переключаемых конденсаторов прост и эффективен; для его реализации необходимо всего несколько компонентов (индуктивности не нужны). Однако выход схемы не стабилизирован и существенно падает при токах нагрузки больше нескольких миллиампер (рис. 6.59).
Рис. 6.59. Выходное напряжение инвертора с переключаемыми конденсаторами под нагрузкой значительно уменьшается.
Кроме того, большинство таких КМОП‑приборов имеют ограниченный диапазон напряжений питания; для 7662 Uвх может меняться в диапазоне только от 4,5 до 20 В (от 1,5 до 10 В для ее предшественницы 7660). Наконец, в отличие от индуктивных повышающих и инвертирующих схем, которые могут генерировать любое напряжение, преобразователь напряжения на переключаемых конденсаторах может формировать напряжения кратные Uвх. Несмотря на эти недостатки, преобразователи на свободных конденсаторах при определенных обстоятельствах очень удобны, например, для того чтобы обеспечить питание биполярных операционных усилителей или последовательного порта (см. гл. 10 и 11) на схемной плате, которая имеет питание только +5 В.
Существуют еще несколько интересных ИС с переключаемыми конденсаторами. МАХ680 фирмы Maxim – это сдвоенный источник, который вырабатывает ±10 В (до 10 мА) от +5 В (рис. 6.60).
Рис. 6.60. Сдвоенный источник с переключаемыми конденсаторами. Аналогичным образом включается LT1026, но при этом Rвых ~= 100 Ом, а емкость конденсаторов всего 1 мкФ.
Похожая схема LT1026 фирмы LTC формирует выход ± 20 В (до 20 мА) и использует меньшие емкости (1 мкФ вместо 20 мкФ). Схема LT1054 фирмы LTC сочетает преобразователь с переключаемыми конденсаторами с линейным стабилизатором и вырабатывает достаточно мощный стабилизированный выход с токами нагрузки до 100 мА (при более низком КПД, разумеется). Схемы серии МАХ232 и схема LT1080 объединяют источник на переключаемых конденсаторах ± 10 В и цифровой последовательный порт RS‑232C (см. гл. 11), что исключает необходимость в биполярном источнике для многих компьютерных плат; некоторые ИС из серии МАХ232 содержат даже встроенные конденсаторы. Схема же LTC1043 представляет собой незавершенный блок с переключаемыми конденсаторами, который можно использовать для того, чтобы проделывать всевозможные чудеса. К примеру, вы можете использовать переключаемые конденсаторы для передачи падения напряжения, измеренного на неудобном потенциале вблизи потенциала земли (например, на резисторе для считывания тока при положительном напряжении источника), туда, где с ним можно легко справиться. Документация на LTC1043 содержит 8 страниц с подобными хитроумными применениями.
