ИНТЕГРИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАНИЯ
INTEGRATED POWER SUPPLY VOLTAGE CONVERTER

Изобретение относится к вычислительной технике, а именно к интегральным микросхемам преобразователя напряжения питания.
Интегрированный преобразователь напряжения питания предназначен для эффективного преобразования напряжения питания маломощных низковольтных устройств, работающих от батарей и аккумуляторов, до напряжений, меньших, чем напряжения химических источников питания. Современные устройства, питающиеся от батарей, такие, как любые автономные датчики, работают при напряжениях питания менее 1 В. При этом существующие преобразователи напряжения питания не предназначены для преобразования напряжения до столь низких значений. Примером такого преобразователя является конвертер постоянного тока, использующий для преобразования литиевые батареи [1]. К сожалению, использование в [1] химических источников не позволяет получать напряжения, меньшие напряжений источников, т.е. менее 1 В.
Наиболее близким к изобретению техническим решением является схема преобразователя постоянного тока [2], включающая:
- подложку, на которой выполняется схема,
- выходной блок, соединенный с источником питания и формирующий выходной сигнал, выполняемый на группе n-канальных полевых МОП транзисторов, включенных параллельно с общими затвором, стоком и истоком,
- блок управления, управляющий выходным блоком посредством обратной связи, содержащий источник опорного напряжения, делитель напряжения, генератор синхросигнала, определитель ошибок, модулятор ширины импульса,
- блок формирователя, включенный между блоком управления и выходным блоком и воздействующий на выходной блок под действием блока управления, содержит биполярный транзистор, включающий группу n-канальных полевых МОП транзисторов выходного блока, и один n-канальный полевой МОП транзистор, выключающий группу n-канальных полевых МОП транзисторов выходного блока,
- предохранитель, отключающий схему при превышении допустимых значений напряжения, тока, температуры.
Функциональная схема преобразователя постоянного тока согласно прототипу [2] иллюстрируется на фиг.1, где 1 - блок управления, 2 - блок формирователя, 3 - выходной блок, 4 - внешний источник питания, 5 - предохранитель. На фиг.2 изображен выходной блок, а на фиг.3 - блок управления, где 6 - источник опорного напряжения, 7 - делитель напряжения, 8 - генератор синхросигнала, 9 - определитель ошибок, 10 - модулятор ширины импульса.
Недостатком технического решения, используемого в прототипе [2], является высокий диапазон выходного напряжения - 2-4 В, высокая потребляемая мощность, значение которой следует из функциональной схемы и составляет не менее 10 мВт, КПД менее 50%, поскольку выходной блок выполняется на транзисторах с использованием внешней индуктивности.
Задачей настоящего изобретения является получение технического результата, заключающегося в достижении низких выходных напряжений до 1 В и повышении КПД выше 50% при низком энергопотреблении - менее 1 мВт, за счет использования выходного блока, выполняемого на переключаемых конденсаторах, отказа в блоке управления от использования модулятора ширины импульса, а также добавления блока низкочастотного фильтра.
Общеизвестное назначение низкочастотного фильтра - сглаживание сигнала [3].
Для достижения названного технического результата в схему преобразователя постоянного тока [2], включающего:
- подложку, на которой выполняется схема,
- выходной блок, соединенный с источником питания и формирующий выходной сигнал,
- блок управления, управляющий выходным блоком посредством обратной связи, добавляют:
- блок низкочастотного фильтра, функцией которого является сглаживание выходного сигнала, получаемого с выходного блока,
- блок управления укомплектовывают источником опорного напряжения, делителем напряжения, генератором синхросигнала и определителем ошибок, при этом делитель напряжения преобразует сигнал от источника опорного напряжения и передает его на вход определителя ошибок, на который подается сигнал также и с выходного блока, и далее с определителя ошибок управляющий сигнал поступает на разрешающий вход генератора синхросигнала,
- а выходной блок выполняют на переключаемых конденсаторах в виде двух каскадов, соединенных параллельно, первый из которых содержит конденсатор 17, один р-канальный транзистор 18 и три n-канальных транзистора 19, 20, 21, второй каскад содержит конденсатор 22, р-канальный транзистор 23 и три n-канальных транзистора 24, 25, 26, при этом транзисторы каскадов выходного блока управляются двумя парафазными сигналами с генератора синхросигналов "вх1" и "вх2" таким образом, что на транзисторы 18, 20, 21 и 24 подается сигнал "вх2", а на транзисторы 19, 23, 25, 26 подается сигнал "вх1", транзисторы включены так, что в зависимости от уровня сигналов "вх1" и "вх2", который может быть либо высоким, либо низким, в момент времени, когда сигнал "вх1" высокого уровня, а сигнал "вх2" низкого уровня, ток протекает через транзисторы 18, 19 и конденсатор 17 от источника питания на выход, при этом конденсатор 17 находится в фазе зарядки, и через транзисторы 25, 26 и конденсатор 22 от общей шины на выход, при этом конденсатор 22 находится в фазе разрядки, а в момент времени, когда сигнал "вх1" низкого уровня, а сигнал "вх2" высокого уровня, ток протекает через транзисторы 20, 21 и конденсатор 17 от общей шины на выход, при этом конденсатор 17 находится в фазе разрядки, и через транзисторы 23, 24 и конденсатор 22 от источника питания на выход, при этом конденсатор 22 находится в фазе зарядки, и при этом и в фазе зарядки, и в фазе разрядки конденсаторов 17 и 22 ток течет в одном направлении на выход выходного блока.
Функциональная схема интегрированного преобразователя напряжения питания, предлагаемая в изобретении, изображена на фиг.4, где 11 - блок управления, 12 - выходной блок, 13 - низкочастотный фильтр, 4 - внешний источник питания.
Фиг.5 иллюстрирует выходной блок на переключаемых конденсаторах, состоящий из двух каскадов, где 14 - первый каскад, включающий конденсатор 17, три n-канальных МОП транзистора 19, 20 и 21 и один р-канальный МОП транзистор 18, 15 - второй каскад, включающий конденсатор 22, три n-канальных МОП транзистора 24, 25 и 26 и один р-канальный МОП транзистор 23.
На фиг.6 изображена функциональная схема блока управления, где 6 - источник опорного напряжения, 7 - делитель напряжения, 16 - генератор синхросигнала, 9 - определитель ошибок.
На фиг.7 изображена временная диаграмма тактовых сигналов вх1 и вх2, снимаемых с генератора синхросигнала 16. Сигналы "вх1" и "вх2" имеют одинаковую частоту и амплитуду, но находятся в противофазе и не перекрываются.
Устройство согласно настоящему изобретению работает следующим образом.
Делитель напряжения 7 блока управления 11 преобразует сигнал от источника опорного напряжения 6 и передает его на вход определителя ошибок 9, на который подается сигнал V вых также и с выходного блока 12, и далее управляющий сигнал с определителя ошибок 9 поступает на разрешающий вход генератора синхросигнала 16.
Транзисторы 18, 19, 20, 21, 23, 24, 25, 26 выходного блока 12 переключаются тактовыми сигналами "вх1" и "вх2" (фиг.7), получаемыми с генератора синхросигнала 16 блока управления 11. В момент времени, когда сигнал "вх1" низкого уровня, а сигнал "вх2" соответственно высокого, конденсатор 17 каскада 14 находится в фазе разрядки, а конденсатор 22 каскада 15 - в фазе зарядки. При этом конденсатор 17 включен параллельно низкочастотному фильтру 13, а конденсатор 22 включен последовательно низкочастотному фильтру 13. В момент времени, когда сигналы "вх1" и "вх2" изменяют значения уровней на противоположные, конденсатор 17 первого каскада 14 переходит в фазу зарядки и оказывается включен последовательно низкочастотному фильтру 13, а конденсатор 22 второго каскада 15 переходит в фазу разрядки и оказывается включен параллельно низкочастотному фильтру 13. Таким образом, в каждом промежутке времени между переключениями сигналов "вх1" и "вх2" конденсатор одного из каскадов заряжается, а конденсатор другого каскада разряжается, передавая накопленную в ходе фазы зарядки энергию в нагрузку, при этом и в случае зарядки, и в случае разрядки конденсаторов 17 и 22 ток течет в одном направлении на выход выходного блока. Выходной ток (ток, передаваемый в нагрузку) оказывается в два раза больше входного тока, передаваемого с источника питания, а выходное напряжение Vвых - в два раза меньше входного напряжения Vпит. Если выходное напряжение Vвых опускается ниже установленного уровня, соответствующего напряжению на делителе напряжения 7, определитель ошибок 9 выдает сигнал, включающий генератор синхросигнала 16. Если напряжение на выходе Vвых превышает напряжение на делителе напряжения 7, то определитель ошибок 9 выдает сигнал, выключающий генератор синхросигнала 16, при этом КПД интегрированного преобразователя напряжения питания определяется только током определителя ошибок.
Возможность создать интегрированный преобразователь напряжения питания с высоким КПД и малой потребляемой мощностью при низких выходных напряжениях обеспечивается выполнением выходного блока на переключаемых конденсаторах в отличие от прототипа, где выходной блок работает на внешнюю индуктивность, требующую больших токов управления. Также выигрыш КПД достигается за счет выключения генератора синхросигнала 16 и выходного блока 12 в отсутствие выходного тока.
Литература
1. Patent Application Publication No WO 2007/141722 A1.
2. United States Patent No 5610503, Mar.11, 1997.
3. Искусство схемотехники. Хоровиц П., Хилл У., М.: Мир, 1998.