Kapcsolt kondenzátor áramkörök

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2020. március 20-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzéshez 1 szerkesztés szükséges .

A kapcsolt kondenzátoráramkörök a kondenzátorok időszakos kapcsolásán alapuló áramköri megoldások kiterjedt osztályát jelentik .

A legnagyobb elterjedtséget az oxidszigetelő technológiát alkalmazó integrált áramkörök (például CMOS ) iparági fejlesztésével kapta. Az alacsony dielektromos abszorpció és az alacsony dielektromos szivárgás lehetővé tette kiváló minőségű, jó ismételhetőségű kondenzátorok létrehozását. Ugyanakkor a félvezető technológia keretein belüli ellenállásokkal minden sokkal rosszabb volt az elfoglalt terület, a névleges értékek ismételhetősége és stabilitása, valamint a parazita kapacitások tekintetében. Ez a helyzet gyorsan számos speciális áramköri megoldás kifejlesztéséhez vezetett.

Megjegyzendő, hogy a kapcsolt kondenzátorokra épülő megoldásokat korábban speciális esetekben diszkrét változatban alkalmazták.

Töltőszivattyús körök

A töltőszivattyú áramkörök ( angol. töltőszivattyú , töltőszivattyú) a DC-DC átalakítók (DC-DC konverterek) egyik típusára utalnak. Az ilyen típusú konverterek kondenzátorokat használnak a töltés tárolására, amelyet egy kapcsolórendszer ad át egyik kondenzátorról a másikra. A "töltőszivattyú" elnevezés általában egy kis teljesítményű boost konvertert jelent, amelyben kondenzátorok vannak csatlakoztatva az órajelforráshoz , és a diódák kapcsolóként működnek. A két logikai óraállapot ("0" vagy "1") határozza meg a töltőszivattyú áramkörének két kapcsolási fázisát (topológiáját). A kétfázisú töltőszivattyúk tartalmazzák az összes diódafeszültség-szorzót, valamint néhány összetett átalakítót, például a Fibonacci töltőszivattyút és a Multiple-Lift Luo konvertereket. Vannak több kapcsolási fázisú (többfázisú) áramkörök is. Ha a töltőszivattyú csökkenti a feszültséget, és van valamilyen mechanizmus a zökkenőmentes beállítására, akkor a kapcsolt kondenzátor konverter (PPC) neve kerül felhasználásra. Az FPC kimeneti feszültsége alapjáraton, állandósult állapotban egy lineáris egyenletrendszer megoldásával meghatározható. Feltéve, hogy az összes fogadott töltés a kimenetre kerül, a PPC hatékonysága megegyezik a kimeneti feszültség és a nyitott áramköri feszültség arányával.

Feszültségszorzók

Feszültségosztók

Szűrők

Aluláteresztő szűrő

A jobb oldali ábra egy klasszikus aluláteresztő szűrőt mutat egy RC láncon. Az RC lánc vágási frekvenciáját a képlet számítja ki

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

Kapcsolt kondenzátoráramkör esetén a vágási frekvencia kiszámítása az ellenállás cseréjével történik (lásd alább "Az integrált ellenállások cseréje") a képlet segítségével

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

ahol:

$f_{0}$ a szűrő vágási frekvenciája,
$C_{1}$ és ezek a kondenzátorok kapacitásai, $C_{2}$
$f_{c}$ a kondenzátor kapcsolási frekvenciája.

Sáváteresztő szűrő

ADC és DAC

Sigma-delta ADC és DAC

ADC kettős integrációval

Feszültség-frekvencia átalakítók

Mintavétel és tartsa az eszközt

Chopper stabilizált erősítők

Különféle műveleti erősítők (op-erősítők). Az olyan parazita paraméterek leküzdésére, mint az op-amp előfeszítő feszültsége, kapcsolt kondenzátor áramkört használnak. Időnként méri és "emlékezik" az op-amp offset feszültségére, és kivonja a bemeneti feszültségből. Ez a megoldás lehetővé teszi alacsony költségű, precíziós műveleti erősítők építését tömeges felhasználásra. Ennek a megoldásnak a hátránya a kapcsolóáramköri zaj jelenléte, amely azonban fix spektrummal rendelkezik, és ennek következtében könnyen kiszűrhető.

A precíziós erősítő egy sajátos típusa a modulátor-demodulátor áramkör, amely szintén kondenzátorokat használ. Most ezt a fajtát gyakorlatilag nem használják.

Galvanikus leválasztás

Integrált ellenállások cseréje

Ismeretes, hogy a vezetőben lévő áram erőssége egyenesen arányos az alkalmazott feszültséggel és fordítottan arányos a vezető ellenállásával ( Ohm törvénye az áramkör homogén szakaszára). Ugyanakkor az áramerősség egyenlő a vezetőn egy időintervallumban átvitt töltés arányával . $én$ $U$ $R$ $én$ $\Delta Q$ $\Delta t$

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

és (1)

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

ahol:

I - áramerősség,
U - feszültség vagy potenciál különbség,
R az ellenállás.

Az áramköri ellenállás kiszámítása a képlettel történik

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

(2)

A 2. ábrán látható séma szerint a kondenzátoron keresztüli töltésátvitel a képlettel számítható ki

Q=C\cdot U

(3)

ahol:

Q a kondenzátor töltése,
C a kondenzátor kapacitása,
U a kondenzátorlapok közötti potenciálkülönbség.

A (2) és (3) egyenlőség felhasználásával megkapjuk

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

ahol:

T a kondenzátor kapcsolási periódusa,
C a kondenzátor kapacitása,
f a kondenzátor kapcsolási frekvenciája.

Ezért a kapcsolt kondenzátorral rendelkező áramkör ellenállása fordítottan arányos a kondenzátor kapcsolási frekvenciájának és kapacitása értékének szorzatával.

Egyéb felhasználások

Shift (transzfer) stressz

Lásd még

Irodalom

M. Gausi, K. Lacker; Fordítás angolból. V. D. Razevich; Szerk. V. I. Kapustyán. Aktív szűrők kapcsolt kondenzátorokkal. - M . : Rádió és kommunikáció, 1986.

PPC teljesítményveszteségek számítása egyenértékű ellenállás használatával

JC Maxwell, A Treatise on Electricity and Magnetism , Oxford, The Clarendon Press, pp. 420-425, Art. 775, 776, "Szakaszáram", 1873.
Z. Singer, A. Emanuel és MS Erlicki: "Tápellátás szabályozása kapcsolt kondenzátorral", Proc. Villamosmérnöki Intézményének 1. évf. 119, 2. szám, 1972, pp. 149-152.
G. van Steenwijk, K. Hoen és H. Wallinga, "Töltőszivattyú áramkör elemzése és tervezése nagy kimeneti áramú alkalmazásokhoz", Proc. 19. európai szilárdtest-áramkörök konf. (ESSCIRC) 1993, pp. 118-121.
JW Kimball, PT Krein és KR Cahill, "Modeling of Capacitor Impedance in Switching Converter", IEEE Power Electronics Letters, Vol. 3, 4. szám, 2005, pp. 136-140.
K. Itoh, M. Horiguchi és H. Tanaka, Ultra-Low Voltage Nano-Scale Memories , Series on Integrated Circuits and Systems, Springer, 2007, 400 p.
MD Seeman és SR Sanders, "Analysis and Optimization of Switched Capacitor DC-DC Converters", IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 23, 2. szám, 2008, pp. 841-851.
S. Ben-Yaakov és M. Evzelman, "Általános és egységes modell a kapcsolt kondenzátor átalakítókról", IEEE Energy Conversion Congress and Expo. (ECCE) 2009, 3501-3508.
S. Ben-Yaakov, "On the Influence of Switch Resistances on Switched Capacitor Converter Losses", IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011

Különféle ACC-k kettes számrendszer alapján

F. Ueno, T. Inoue és I. Oota, "Új kapcsolt kondenzátoros transzformátor megvalósítása 2 n −1 növekményes transzformátoraránnyal n kondenzátor felhasználásával", ISCAS 1986, 805-808.
JA Starzyk, Y.-W. Jan és F. Qiu, "A DC-DC töltőszivattyú tervezése feszültségduplázókon alapul", IEEE Transactions on Circuits and Systems, I. rész, Vol. 48, 3. szám, 2001, pp. 350-359
FL Luo és H. Ye, "Pozitív kimenetű, többszörös emelésű push-pull kapcsolt kondenzátoros Luo-konverterek", IEEE-tranzakciók az ipari elektronikával kapcsolatban, 2004, Vol. 51, 3. szám, pp. 594-602
S. Ben-Yaakov és A. Kushnerov, "Önbeállító kapcsolt kondenzátorok átalakítóinak algebrai alapjai", IEEE Energy Conversion Congress and Expo. (ECCE) 2009, pp. 1582-1589.