开关电容变换器与能量收集电路
时间：10-02
整理：3721RD
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能量收集应用，提高电源电压或提供负电源轨提供了电路设计中的重要能力。开关电容变换器提供一个简单的替代更复杂的电源方案和提供更为熟悉的电感为基础的转换器的其他好处。工程师可以基于开关电容转换器制造商包括灵活的电源电路设计建立能量收集模拟设备，Exar，Intersil，线性技术，微芯片技术，和德克萨斯仪器，其中。
典型的有效率大于百分之90，开关电容电压转换器使用一个简单的基本拓扑结构，改为倒置或双输入电压。在逆变器的配置（图1A），电容C1充电到输入电压的开关周期的前半期。电压反向应用于电容C2以及在开关周期的第二部分负载。在这里，输出电压是输入电压的负，和平均输出电流近似等于输入电流。在倍压器的配置（图1b），电容C1与输入电压串联放电周期中，倍频输出电压。在这里，平均输出电流大约是一半的输入电流。
图1：开关电容变换器使用相同的基本拓扑结构的反相输入电压（A）和（B）倍输入电压对输出。转换器通常整合基本滤波电路来降低输出纹波（模拟设备提供）。
开关电容变换器具有明显的优势，在基于电感的开关稳压器。除了消除磁设计问题，开关电容的典型特征是低噪声和EMI性能。一个典型的应用电路需要与基于电感的方案对比，只有两个外部电容，这通常需要至少两个外部电容以及电感本身。随着这个最小的元件数量，消除身体大电感结果结束的设计，是显着更小的电路板面积和元件的高度。
最早的单片集成开关电容器，IntersilICL7660，包含所有需要实现一个电压转换器电路，集成一系列直流稳压电源，RC振荡器，电压电平转换器，四输出功率MOS开关（图2）。该器件为电压型逆变器，倍频器，额定百分之99.9的电压转换效率和百分之98的功率效率或乘数超过1.5的输入范围为10 V。虽然最初ICL7660所需要的电压输出引脚和外部电容器之间的一个二极管防止闭锁，随后icl7600a和其他厂商的功能替代消除外部二极管的需要。
图2：与早期ICL7660，开关电容变换器集成了完整的功能模块，需要通常只有两个外部电容器来实现一个完整的电压转换器（由Intersil）。
线性技术ltc1044是一个旨在提供同时保留引脚与7660引脚兼容性增强转换器功能第一选择。基本ltc1044与进一步增强ltc1044a，它提供了输入电压高达12 V以及2.5倍更大的功率转换效率较低的静态电流，和增强功能，使工程师能够提高内部振荡器的频率从5千赫到35千赫范围内，优化高负载电流的应用性能。另一个增强版本的ltc1046提供高达2.5倍更高的输出电流比其前任。
另一个替代的icl7600，模拟装置adm660是一个逆变器/倍频的目的是在较高的内部振荡器频率操作，在25或125千赫使用FC（频率控制）引脚。提高频率允许使用更小的电容器可用于性能相当，或如果电容的大小是不变的，它导致较低的输出阻抗和纹波。其adm660变体的adm8660模拟装置，提供了一个低功耗关断引脚，可以禁用设备和降低静态电流为300 nA。高输出的需求，7660 / 660兼容sp6661从Exar具有输出电流高达200毫安，提供可选的振荡器频率高达900千赫在高负载提高性能。
而制造商发布了这些早期的设备增强了数组变量，后来转换器带来了功耗的改进，输入电压范围，驱动电流，振荡器的频率范围，并提供其他特殊功能。例如，德克萨斯仪器lm2660反转或双打的电压在1.5至5.5 V的输入范围，提供100 mA的输出电流，同时具有一个可选的10或80 kHz振荡器频率。还可以配置lm2660分正输入电压的正半。在这种模式下，设备支持的输入电压为11 V的对比高，德克萨斯仪器lm2765倍压器只消耗130μ，而Tilm828电压型逆变器只需要40μA.
也许在开关电容电压转换器的最显着的增强已经在解决传统逆变器的输出电压调节器整体设计的缺乏。例如，微芯片技术mcp1256，mcp1257，和mcp1259设备提供3.3 V稳压输出从1.8到3.6五轻负荷，工程师可以将mcp1256和mcp1257设备进入睡眠模式，从而降低静态电流20μ，然而保持输出电压调节。另外，设计者可以选择的mcp1259，具有旁路模式连接的输入电压，输出基本上没有消耗的电流转换器。
模拟装置adp3605转换器提供稳压输出的可调范围，使用最少的外部元件（图3）。该转换器提供一个标称120毫安稳压输出最小电压损失，以及关断模式下，静态电流降低至2μ类型。
图3：设计师需要添加只有几个额外的外部组件提供调节反相输出电压高于输入电压的大小缩放，提供7 V输出5 V输入（模拟设备提供）。
即使是低输入电压的应用，德克萨斯仪器公司提供他们的tps603xx系列，具有输入电压范围0.9到1.8 V时，tps60301提供基本的升压转换功能，3或3.3 V稳压输出，这TPS60310/六万零三百一十一/六万零三百一十三一个打盹模式扩展这些功能。在睡眠模式下，设备的操作与2μ一个典型的工作电流，同时保持规定的3或3.3 V打盹模式限制输出电流为2 mA的输出电压，但如果负载电流增加超过这个水平，该装置检测输出电压下降，开关会自动从睡眠模式正常模式高输出电流调节输出电压。
开关电容变换器提供一个操作简单的设计可以解决电路尺寸和能量收集应用中经常发现的复杂性约束。可用的开关电容转换器提供一系列需要保持低功耗运行而反相或提高输入电压的功能和性能特点。使用这些设备，工程师可以实现需要解决大量的低功耗电源要求灵活多样的权力特征，能量采集设计。
典型的有效率大于百分之90，开关电容电压转换器使用一个简单的基本拓扑结构，改为倒置或双输入电压。在逆变器的配置（图1A），电容C1充电到输入电压的开关周期的前半期。电压反向应用于电容C2以及在开关周期的第二部分负载。在这里，输出电压是输入电压的负，和平均输出电流近似等于输入电流。在倍压器的配置（图1b），电容C1与输入电压串联放电周期中，倍频输出电压。在这里，平均输出电流大约是一半的输入电流。
图1：开关电容变换器使用相同的基本拓扑结构的反相输入电压（A）和（B）倍输入电压对输出。转换器通常整合基本滤波电路来降低输出纹波（模拟设备提供）。
开关电容变换器具有明显的优势，在基于电感的开关稳压器。除了消除磁设计问题，开关电容的典型特征是低噪声和EMI性能。一个典型的应用电路需要与基于电感的方案对比，只有两个外部电容，这通常需要至少两个外部电容以及电感本身。随着这个最小的元件数量，消除身体大电感结果结束的设计，是显着更小的电路板面积和元件的高度。
最早的单片集成开关电容器，IntersilICL7660，包含所有需要实现一个电压转换器电路，集成一系列直流稳压电源，RC振荡器，电压电平转换器，四输出功率MOS开关（图2）。该器件为电压型逆变器，倍频器，额定百分之99.9的电压转换效率和百分之98的功率效率或乘数超过1.5的输入范围为10 V。虽然最初ICL7660所需要的电压输出引脚和外部电容器之间的一个二极管防止闭锁，随后icl7600a和其他厂商的功能替代消除外部二极管的需要。
图2：与早期ICL7660，开关电容变换器集成了完整的功能模块，需要通常只有两个外部电容器来实现一个完整的电压转换器（由Intersil）。
线性技术ltc1044是一个旨在提供同时保留引脚与7660引脚兼容性增强转换器功能第一选择。基本ltc1044与进一步增强ltc1044a，它提供了输入电压高达12 V以及2.5倍更大的功率转换效率较低的静态电流，和增强功能，使工程师能够提高内部振荡器的频率从5千赫到35千赫范围内，优化高负载电流的应用性能。另一个增强版本的ltc1046提供高达2.5倍更高的输出电流比其前任。
另一个替代的icl7600，模拟装置adm660是一个逆变器/倍频的目的是在较高的内部振荡器频率操作，在25或125千赫使用FC（频率控制）引脚。提高频率允许使用更小的电容器可用于性能相当，或如果电容的大小是不变的，它导致较低的输出阻抗和纹波。其adm660变体的adm8660模拟装置，提供了一个低功耗关断引脚，可以禁用设备和降低静态电流为300 nA。高输出的需求，7660 / 660兼容sp6661从Exar具有输出电流高达200毫安，提供可选的振荡器频率高达900千赫在高负载提高性能。
而制造商发布了这些早期的设备增强了数组变量，后来转换器带来了功耗的改进，输入电压范围，驱动电流，振荡器的频率范围，并提供其他特殊功能。例如，德克萨斯仪器lm2660反转或双打的电压在1.5至5.5 V的输入范围，提供100 mA的输出电流，同时具有一个可选的10或80 kHz振荡器频率。还可以配置lm2660分正输入电压的正半。在这种模式下，设备支持的输入电压为11 V的对比高，德克萨斯仪器lm2765倍压器只消耗130μ，而Tilm828电压型逆变器只需要40μA.
也许在开关电容电压转换器的最显着的增强已经在解决传统逆变器的输出电压调节器整体设计的缺乏。例如，微芯片技术mcp1256，mcp1257，和mcp1259设备提供3.3 V稳压输出从1.8到3.6五轻负荷，工程师可以将mcp1256和mcp1257设备进入睡眠模式，从而降低静态电流20μ，然而保持输出电压调节。另外，设计者可以选择的mcp1259，具有旁路模式连接的输入电压，输出基本上没有消耗的电流转换器。
模拟装置adp3605转换器提供稳压输出的可调范围，使用最少的外部元件（图3）。该转换器提供一个标称120毫安稳压输出最小电压损失，以及关断模式下，静态电流降低至2μ类型。
图3：设计师需要添加只有几个额外的外部组件提供调节反相输出电压高于输入电压的大小缩放，提供7 V输出5 V输入（模拟设备提供）。
即使是低输入电压的应用，德克萨斯仪器公司提供他们的tps603xx系列，具有输入电压范围0.9到1.8 V时，tps60301提供基本的升压转换功能，3或3.3 V稳压输出，这TPS60310/六万零三百一十一/六万零三百一十三一个打盹模式扩展这些功能。在睡眠模式下，设备的操作与2μ一个典型的工作电流，同时保持规定的3或3.3 V打盹模式限制输出电流为2 mA的输出电压，但如果负载电流增加超过这个水平，该装置检测输出电压下降，开关会自动从睡眠模式正常模式高输出电流调节输出电压。
开关电容变换器提供一个操作简单的设计可以解决电路尺寸和能量收集应用中经常发现的复杂性约束。可用的开关电容转换器提供一系列需要保持低功耗运行而反相或提高输入电压的功能和性能特点。使用这些设备，工程师可以实现需要解决大量的低功耗电源要求灵活多样的权力特征，能量采集设计。
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