Анализ накачки заряда отрицательного напряжения в LTspice — сопротивление источника и нагрузки

Ранее я написал статью, в которой объяснялись основные принципы отрицательного напряжения, и продолжил эту тему в лаборатории LTspice, которая использовала моделирование для выяснения отрицательного напряжения как чего-то, что возникает и создается в электрических цепях. В рамках лабораторной работы LTspice я также представлю топологию схемы, которая может генерировать стабильное отрицательное напряжение, способное подавать ток на другие компоненты.

В этой новой серии статей я хотел бы более подробно рассмотреть функциональность этой схемы отрицательного напряжения с целью улучшить наше понимание того, как реальный источник питания с переключаемыми конденсаторами и источники питания в целом можно оптимизировать.

Прежде чем углубиться, давайте посмотрим на рисунок 1, на котором показана схема накачки заряда, которую я ранее представил в последней статье об отрицательном напряжении.

На принципиальной схеме V1 создает входное напряжение, а V2 генерирует прямоугольный сигнал частотой 500 кГц, который управляет всеми четырьмя переключателями. Из-за разных значений сопротивления, присвоенных состояниям включения и выключения в моделях SW1 и SW2, S1 и S3 включены, когда S2 и S3 выключены, и наоборот. Исходное напряжение заряжает конденсатор C1, когда S1 и S3 пропускают ток, затем все четыре переключателя меняют состояние, так что C1 разряжается в правую часть цепи.

Далее на C2 появляется разность потенциалов, равная напряжению источника V1, но поскольку вывод с более высоким напряжением C2 заземлен, вывод с более низким напряжением должен сместиться в область отрицательного напряжения. Таким образом, напряжение на ПЕРЕВЕРНУТОМ узле равно отрицательному значению V(SOURCE). Другими словами, VOUT = –VIN.

График ниже (рис. 2) показывает, как выходное напряжение снижается до значения –VIN, а затем остается на уровне –VIN.

Возможно, вам интересно, не слишком ли хороша схема с переключаемыми конденсаторами, чтобы быть правдой. Всего два конденсатора, четыре переключателя и прямоугольная волна? Это все, что нам нужно для создания хорошо регулируемого отрицательного напряжения на шине питания? Ну, не совсем; эта схема на самом деле не является стабилизатором напряжения.

Это не стабилизатор напряжения, поскольку в нем отсутствует то, что имеет решающее значение для работы как линейных регуляторов, так и импульсных регуляторов: подсистема обратной связи. Регуляторы поддерживают стабильное и предсказуемое напряжение питания, контролируя выходной сигнал и компенсируя изменения нагрузки посредством отрицательной обратной связи.

Наш зарядный насос с переключаемыми конденсаторами не имеет какой-либо системы управления с отрицательной обратной связью, и, следовательно, уменьшение сопротивления нагрузки приведет к соответствующему уменьшению выходного напряжения. Это происходит потому, что выходная сеть по сути представляет собой делитель напряжения. Имея это в виду, мы имеем полный –VIN на выходе, когда RLOAD = 100 кОм только потому, что 100 кОм намного выше, чем сопротивление источника (ROUT) зарядового насоса. По мере того, как RLOAD уменьшается по направлению к ROUT, напряжение делится более равномерно между этими двумя сопротивлениями, и, таким образом, выходное напряжение (т. е. напряжение на RLOAD) уменьшается.

Вы также можете подумать об этом с точки зрения тока нагрузки. Допустим, работа схемы нагрузки меняется так, что источник питания должен выдавать больший ток (это электрически эквивалентно уменьшению RLOAD). Когда это происходит, через ROUT протекает больший ток, на ROUT падает большее напряжение, и меньшая часть входной разности потенциалов доступна на выходном узле.

Мы можем использовать текстовую команду .step, размещенную прямо на схеме LTspice, чтобы визуально оценить эффект изменения RLOAD:

Этот оператор заставит симуляцию запускаться один раз для каждого значения в списке, прикрепленном к переменной LOAD. Мы хотим присвоить эти значения компоненту RLOAD и делаем это, используя {LOAD} (не забудьте фигурные скобки) в поле значения компонента (показано на рисунке 3):

Результат можно увидеть на рисунке 4 ниже.

Три самых высоких значения сопротивления (100 кОм, 10 кОм, 1 кОм) приводят к одинаковым характеристикам, и дорожки, соответствующие этим трем значениям, практически неразличимы. Однако при 100 Ом (бежевый график) мы начинаем замечать снижение выходного напряжения, а при 10 Ом (зеленый график) снижение довольно сильное.