La generación de un alto voltaje de salida a partir de un bajo voltaje de entrada es el principio detrás de los dispositivos de suministro de voltaje pequeño para alimentar dispositivos e incluso máquinas con un alto consumo de energía. Esta es una arquitectura de diseño particularmente importante para sistemas integrados que realizan muchas funciones, pero requieren el tamaño de dispositivo más pequeño posible.
prólogo
La generación de un alto voltaje de salida a partir de un bajo voltaje de entrada es el principio detrás de los dispositivos de suministro de voltaje pequeño para alimentar dispositivos e incluso máquinas con un alto consumo de energía. Esta es una arquitectura de diseño particularmente importante para sistemas integrados que realizan muchas funciones, pero requieren el tamaño de dispositivo más pequeño posible.
Se requieren fuentes de alimentación de alto voltaje para polarizar fotodiodos de avalancha (APD), transductores piezoeléctricos (PZT), pantallas fluorescentes de vacío (VFD) y sistemas microelectromecánicos (MEMS). Esta nota de aplicación presenta tres topologías (Figuras 1a, 1b y 1c) para generar un voltaje de salida alto a partir de un voltaje de entrada bajo. Se analizan las ventajas y desventajas de cada uno, centrándose en la densidad de potencia y el tamaño del circuito. Los datos experimentales se presentan al final de la nota de aplicación para contrastar soluciones basadas en transformadores y basadas en inductores.
La polarización de alto voltaje (75 V) requerida en muchas aplicaciones APD proviene de un suministro de 3 V. Este requerimiento tiene los siguientes desafíos:
- Los MOSFET de alto voltaje generalmente no funcionan con controladores de compuerta de tan solo 3V.
- Debido a la gran capacidad de drenaje a fuente de los MOSFET de alto voltaje, se requiere energía en el inductor para llevar el drenaje al voltaje de salida. Las pérdidas resultantes son tan grandes como 1/2 fswitch x CDSVOUT².
- Los MOSFET de alto voltaje son más grandes y más caros que sus equivalentes de menor voltaje. Los MOSFET de potencia de alto voltaje rara vez se usan en circuitos integrados de controladores de conmutación.
- Los ciclos de trabajo extremos imponen de manera ineficiente tiempos cortos de inactividad o bajas frecuencias de conmutación. Las frecuencias de conmutación más bajas dan como resultado una ondulación más alta y requieren un magnetismo más grande.
Principio de operación
Los convertidores de CC-CC de impulso y retorno estándar se pueden combinar para formar la topología híbrida de la Figura 1c. La topología combinada resultante apila el voltaje de retorno del devanado secundario sobre el voltaje de entrada y el voltaje de retorno del devanado primario (los convertidores de retorno típicos generan solo voltaje de retorno). En comparación con un convertidor elevador estándar, esta topología produce un voltaje de salida más alto desde un MOSFET de bajo voltaje al limitar el voltaje visto en LX.
Los transformadores tienen las siguientes ventajas:
- Mayor voltaje de salida alcanzable
- bajo ciclo de trabajo operativo
- MOSFET de bajo voltaje
Operar el transformador en modo discontinuo con una corriente de pico MOSFET constante también tiene las siguientes ventajas:
- Cuanto mayor sea la frecuencia de conmutación, menor será la ondulación de salida
- ondulación de alta frecuencia
- magnético más pequeño
El MAX1605 y muchos otros convertidores elevadores se pueden usar en esta topología. El voltaje de salida máximo está limitado por la relación de transformación del transformador, la clasificación de voltaje del transformador y del diodo, la clasificación de voltaje del MOSFET y la capacitancia de drenaje, y el tiempo de recuperación inversa del diodo.
solicitud
El circuito de la Figura 2 produce una polarización APD de 75V. Se puede usar un pequeño dispositivo SOT23 de 6 pines como el MAX1605 porque el transformador reduce la tensión de tensión en los interruptores. El MOSFET de 28 V y 500 mA en este circuito integrado es más que suficiente, ya que solo vemos un voltaje máximo de VIN + (VOUT – VIN)/N = 17 V. Cuanto mayor sea la relación de vueltas, mayor voltaje puede manejar el circuito.
A 100 V, los valores de capacitancia altos requieren espacio en la placa, por lo que los filtros consisten principalmente en resistencias. Para la misma frecuencia de corte (usando la misma resistencia y capacitor), usar el circuito de la Figura 3 reduce el error de regulación de carga en 1/β.
En su lugar, se introduce una caída de VBE fija, pero este enfoque reduce drásticamente la dependencia de la carga de VOUT. Para reducir significativamente la ondulación con el mismo nivel de regulación de carga, se puede utilizar una resistencia de filtro β veces mayor.
Conclusión
Se pueden usar varias técnicas de diseño para convertir un voltaje de entrada bajo en un voltaje de salida alto. Estos convertidores elevadores de alto voltaje son lo suficientemente flexibles para ser reconfigurados. Este tutorial introdujo varias técnicas de diseño para crear un convertidor boost eficiente.