전압 배율기 회로 설명

낮은 입력 전압에서 커패시터를 충전하여 전압을 2 배로 높이는 데 사용되는 전자 회로 장치를 전압 더블 러라고합니다.

충전 전류는 이상적인 상황에서 출력에서 ​​생성되는 전압이 입력 전압의 정확히 2 배가되도록 전환됩니다.

다이오드를 사용하는 가장 간단한 전압 승수

가장 간단한 형태의 전압 배가 회로 교류 (AC) 전압의 형태로 입력을 받고 출력으로 (DC) 전압의 두 배 크기를 생성하는 정류기 유형입니다.

단순한 다이오드는 스위칭 소자로 사용되며 단순한 교류 전압 형태의 입력은 스위칭 상태에서 이러한 다이오드를 구동하는 데 사용됩니다.

위와 같은 방식으로 스위칭 할 수 없기 때문에 사용중인 전압 배가 기가 DC-DC 유형 인 경우 스위칭 속도를 제어하기 위해 추가 구동 회로가 필요합니다.

대부분의 경우 DC-DC 전압 변환기 회로에는 트랜지스터와 같이 쉽고 직접 제어 할 수있는 스위칭 소자라는 또 다른 추가 장치가 필요합니다.

따라서 스위칭 소자를 사용할 때 간단한 AC-DC 형태의 경우처럼 스위치 양단에 존재하는 전압에 의존 할 필요가 없습니다.

전압 배 배기는 전압 배율기 회로의 한 유형입니다. 몇 가지 예외를 제외하고 대부분의 전압 배가 회로는 단일 단계에서 고차 승수의 형태로 볼 수 있습니다. 또한 함께 사용되는 계단식 동일한 단계가있을 때 더 많은 양의 전압 곱셈이 달성됩니다.

빌라 드 서킷

Villard 회로는 다이오드와 커패시터로 구성된 간단한 구성을 가지고 있습니다. 한편으로는 Villard 회로가 단순성 측면에서 이점을 제공하는 한편, 매우 열악한 것으로 간주되는 리플 특성을 갖는 출력을 생성하는 것으로도 알려져 있습니다.

그림 1. 빌라 드 회로

본질적으로 Villard 회로는 다이오드 클램프 회로의 한 형태입니다. 캐패시터를 AC 피크 전압 (Vpk)으로 충전하기 위해 음의 하이 사이클이 사용됩니다. 입력으로서의 AC 파형은 커패시터의 안정적인 DC 중첩과 함께 출력을 형성합니다.

파형의 DC 값은 회로의 효과를 사용하여 이동됩니다. 다이오드가 AC 파형의 네거티브 피크를 0V 값 (실제로는 다이오드의 작은 순방향 바이어스 전압 인 –VF)으로 클램핑하므로 출력 파형의 포지티브 피크는 2Vpk 값입니다.

peak-to-peak는 2Vpk 값의 엄청난 크기이기 때문에 평활화하기 어렵고 따라서 회로가 효과적인 방식으로 다른 더 정교한 형태로 변환 될 때만 평활화 될 수 있습니다.

전자 레인지에서이 회로 (역형 다이오드로 구성됨)를 사용하여 마그네트론에 음의 고전압을 공급합니다.

Greinacher 회로

Greinarcher 전압 배 가기는 적은 비용으로 몇 가지 추가 구성 요소를 추가하여 자체적으로 크게 향상되어 Villard 회로보다 나은 것으로 입증되었습니다.

개방 회로 부하 조건에서 리플은 매우 감소하는 것으로 나타났습니다. 대부분의 경우 0 상태가되지만 부하의 저항과 사용중인 커패시터의 값이 중요한 역할을하고 현재 그려지고 있습니다.

그림 2. Greinacher 회로

Villard 셀 스테이지 다음에는 엔벨로프 감지기 스테이지 또는 피크 감지기를 사용하여 작동하기 위해 회로가 이어집니다.

피크 검출기의 효과는 많은 리플이 제거되는 반면 피크 전압의 출력은 그대로 유지됩니다.

Heinrich Greinacher는 1913 년 (1914 년에 발표 된)이 회로를 처음으로 발명하여 그의 이온 계에 필요한 200-300V의 전압을 제공했습니다.

취리히 발전소에서 공급하는 전력이 110V AC로 충분하지 않았기 때문에 그 정도의 전압을 얻기 위해이 회로를 발명해야한다는 요구 사항이 발생했습니다.

Heinrich는 1920 년에이 아이디어를 더욱 발전 시켰고이를 확장하여 다중 승수를 만들었습니다. 대부분의 경우 사람들은 Heinrich Greinacher가 발명 한이 배수를 부정확하고 사실이 아닌 Villard 폭포라고합니다.

이 곱셈기의 계단식은 입자 가속기 기계를 만들고 1932 년에 독립적으로 회로를 재발견 한 과학자 John Cockroft와 Ernest Walton의 이름을 따서 Cockroft-Walton이라고도합니다.

서로 반대 극성을 갖지만 동일한 AC 소스에서 구동되는 두 개의 Greinacher 셀을 사용하면 이러한 종류의 토폴로지 개념을 전압 4 중 회로로 확장 할 수 있습니다.

두 개의 개별 출력은 출력을 낮추기 위해 사용됩니다. 이 회로에서 입력과 출력을 동시에 접지하는 것은 브리지 회로의 경우처럼 매우 불가능합니다.

브리지 회로

전압을 두 배로 늘리기 위해 Delon 회로에서 사용하는 토폴로지 종류를 브리지 토폴로지라고합니다.

이러한 유형의 delon 회로의 일반적인 용도 중 하나는 음극선 관이있는 텔레비전 세트에서 발견되었습니다. 이 텔레비전 세트의 delon 회로는 e.h.t.를 제공하기 위해 사용되었습니다. 전압 공급.

그림 3. 전압 4 중 – 극성이 반대 인 두 개의 Greinacher 셀

5kV 이상의 전압 발생과 관련하여 많은 안전 위험과 문제가 있으며, 대부분 가정용 장비 인 변압기는 매우 비 경제적입니다.

그러나 e.h.t. 흑백 TV 세트의 기본 요구 사항은 10kV이며 컬러 TV 세트는 더 많은 e.h.t.

e.h.t.에는 여러 가지 방법과 수단이 있습니다. 전압 더블 러를 사용하거나 라인 플라이 백 코일의 파형에 전압 더블 러를 적용하여 e.h.t 권선 내에서 전원 변압기의 전압을 두 배로 늘립니다.

회로 내에서 반파로 구성된 두 개의 피크 검출기는 Greinacher 회로에서 발견되는 피크 검출기 셀과 기능적으로 유사합니다.

들어오는 파형의 서로 반대되는 반주기는 두 개의 피크 검출기 셀 각각에서 작동하는 데 사용됩니다. 출력은 출력이 직렬로 연결되어 있기 때문에 항상 피크 입력 전압의 두 배입니다.

그림 4. 브리지 (Delon) 전압 배 가기

스위치드 커패시터 회로

DC 소스의 전압은 충분히 간단하고 초퍼 회로를 사용하여 전압 더블 러를 선행하여 위 섹션에서 설명한 다이오드 커패시터 회로를 사용하여 두 배로 늘릴 수 있습니다.

따라서 이것은 전압 배 가기를 통과하기 전에 DC를 AC로 변환하는 데 효과적입니다. 보다 효율적인 회로를 확보하고 구축하기 위해 스위칭 장치는 절단 및 곱셈 측면에서 모두 능숙하고 동시에 달성 할 수있는 외부 클록에서 구동됩니다.

그림 5.

단순히 충전 된 커패시터를 병렬에서 직렬로 전환함으로써 달성 된 전환 커패시터 전압 배가 이러한 유형의 회로를 전환 커패시터 회로라고합니다.

저전압으로 구동되는 애플리케이션은 집적 회로가 배터리가 실제로 전달하거나 생성 할 수있는 것보다 많은 특정 양의 전압을 공급해야하기 때문에 특히이 접근 방식을 사용하는 애플리케이션입니다.

대부분의 경우, 집적 회로의 보드에는 항상 클럭 신호를 사용할 수 있으므로 다른 추가 회로가 필요하지 않거나 생성하는 데 회로가 거의 필요하지 않습니다.

따라서 그림 5의 다이어그램은 가장 간단한 형태의 스위치드 커패시터 구성을 개략적으로 보여줍니다. 이 다이어그램에는 병렬로 동일한 전압으로 동시에 충전 된 두 개의 커패시터가 있습니다.

이 커패시터는 전원을 끈 후 직렬로 전환됩니다. 따라서 출력이 직렬로 연결된 두 커패시터에서 파생되는 경우 생성 된 출력 전압은 공급 또는 입력 전압의 두 배입니다.

이러한 회로에 사용될 수있는 다양한 종류의 스위칭 장치가 있지만 MOSFET 장치는 집적 회로의 경우 가장 많이 사용되는 스위칭 장치입니다.

그림 6. 차지 펌프 전압 배가 회로도

그림 6의 다이어그램은 'Charge Pump'의 다른 기본 개념 중 하나를 개략적으로 표시합니다. 입력 전압은 충전 펌프 커패시터 인 Cp를 먼저 충전하는 데 사용됩니다.

그 후, 출력 커패시터 C0는 입력 전압과 직렬로 전환하여 충전되며, 그 결과 입력 전압 양의 두 배인 C0이 충전됩니다. 성공적으로 C0를 완전히 충전하려면 충전 펌프에 많은 사이클이 필요할 수 있습니다.

그러나 일단 정상 상태가 획득되면, 차지 펌프 커패시터의 유일한 필수 사항 인 Cp는 출력 커패시터 C0에서 부하로 공급되는 전하와 동일한 소량의 전하를 펌핑하는 것입니다.

C0이 차지 펌프에서 분리되는 동안 부하로 부분적으로 방전되면 출력 전압에 리플이 형성됩니다. 이 과정에서 형성된이 리플은 방전 시간이 짧고 필터링이 용이 한 특성을 가지고있어 더 높은 클럭 주파수에 대해 주파수가 작아집니다.

따라서 특정 리플에 대해 커패시터를 더 작게 만들 수 있습니다. 집적 회로의 모든 실제 목적을위한 최대 클록 주파수는 일반적으로 수백 kHz 범위에 속합니다.

Dickson 차지 펌프

Dickson 멀티 플라이어로도 알려진 Dickson 차지 펌프는 클록 펄스 트레인이 각 커패시터의 하단 플레이트를 구동하는 다이오드 / 커패시터 셀의 캐스케이드로 구성됩니다.

이 회로는 Cockcroft-Walton 배율기의 수정으로 간주되지만 Cockcroft-Walton 배율기의 경우처럼 AC 입력 대신 클록 트레인이있는 DC 입력에 의해 제공되는 스위칭 신호를 제외하고는 예외입니다.

Dickson 곱셈기의 기본 요구 사항은 서로 반대 위상의 클록 펄스가 대체 셀을 구동해야한다는 것입니다. 그러나 그림 7에 표시된 전압 배 가기의 경우 한 단계의 곱셈 만 있기 때문에 단일 클록 신호 만 필요합니다.

그림 7. Dickson 차지 펌프 전압 배 가기

Dickson 곱셈기가 가장 자주 사용되는 회로는 배터리와 같은 공급 전압이 회로에서 요구하는 것보다 낮은 집적 회로입니다.

여기에 사용되는 모든 반도체가 기본적으로 유사하다는 사실은 집적 회로 제조업체에게 이점으로 작용합니다.

수많은 집적 회로에서 가장 일반적으로 발견되고 사용되는 표준 로직 블록은 MOSFET 장치입니다.

이것이 다이오드가 이러한 유형의 트랜지스터로 여러 번 대체되는 이유 중 하나이지만 다이오드 형태의 기능에도 연결됩니다.

이 배열을 다이오드 배선 MOSFET이라고도합니다. 그림 8의 다이어그램은 이러한 종류의 다이오드 배선 n 채널 확장형 MOSFET 장치를 사용하는 Dickson 전압 배 가기를 보여줍니다.

그림 8. 다이오드 배선 MOSFET을 사용한 Dickson 전압 배 배기

Dickson 차지 펌프의 기본 형태는 많은 개선과 변형을 거쳤습니다. 이러한 개선의 대부분은 트랜지스터 드레인 소스 전압에 의해 생성되는 효과의 감소 영역에 있습니다. 이러한 개선은 저전압 배터리의 경우처럼 입력 전압이 작은 경우에 중요한 것으로 간주됩니다.

출력 전압은 이상적인 스위칭 소자가 사용되는 경우 항상 입력 전압의 정수배 (전압 배가의 경우 두 배)입니다.

그러나 MOSFET 스위치와 함께 단일 셀 배터리를 입력 소스로 사용하는 경우 트랜지스터 양단의 전압이 떨어지기 때문에 이러한 경우 출력은이 값보다 훨씬 적습니다.

개별 부품을 사용하는 회로의 온 상태에서 전압 강하가 매우 낮기 때문에 쇼트 키 다이오드는 스위칭 소자로 좋은 선택으로 간주됩니다.

그러나 집적 회로 설계자는 MOSFET 장치에 존재하는 회로의 부적절 함과 높은 복잡성을 보완하는 것보다 더 쉽게 사용할 수 있으므로 MOSFET을 사용하는 것을 선호합니다.

이를 설명하기 위해 예를 들어 보겠습니다. 1.5V의 공칭 전압이 알카라인 배터리에 존재합니다.

이 출력은 전압 강하가 0 인 이상적인 스위칭 소자와 함께 전압 배 가기를 사용하여 3.0V로 두 배가 될 수 있습니다.

그러나 다이오드 배선 MOSFET이 on 상태 일 때 드레인 소스의 전압 강하는 일반적으로 0.9V로 조정되는 게이트 임계 전압과 동일한 최소값이어야합니다.

출력 전압은 약 0.6V에서 2.1V까지만 성공적으로 두 배의 전압으로 올릴 수 있습니다.

최종 평활 트랜지스터의 강하도 고려되고 고려되는 경우 여러 단계를 사용하지 않으면 회로에 의한 전압 증가를 달성 할 수 없습니다.

반면에 일반적인 쇼트 키 다이오드의 온 스테이지 전압은 0.3V입니다. 전압 더블 러에 의해 생성되는 출력 전압은 쇼트 키 다이오드를 사용하는 경우 2.7V, 평활 다이오드를 사용하는 경우 2.4V 범위에 있습니다.

교차 결합 스위치드 커패시터

교차 결합 된 스위치 커패시터 회로는 입력 전압이 매우 낮은 것으로 알려져 있습니다. 1 볼트 이하로 방전되었을 때 지속적으로 전력을 공급하기 위해 호출기 및 블루투스 장치와 같은 무선 배터리로 구동되는 장비에 단 전지 배터리가 필요할 수 있습니다.

그림 9. 교차 결합 스위치드 커패시터 전압 배 가기

클럭이 낮은 경우 트랜지스터 Q2가 꺼집니다. 동시에, 클록이 높으면 트랜지스터 (Q1)가 턴온되어 커패시터 (C1)가 전압 (Vn)으로 충전된다. Ø1이 높아질 경우 C1의 상판이 두 배 Vin으로 밀려납니다.

이 전압이 출력으로 나타나도록하기 위해 스위치 S1이 동시에 닫힙니다. 또한 동시에 C2는 Q2를 켜서 충전 할 수 있습니다.

구성 요소의 역할은 다음 반주기에서 반전됩니다. Ø1은 로우, S1은 열리고, Ø2는 하이, S2는 닫힙니다.

따라서 회로의 각 측면에서 출력 전압이 2Vin으로 공급됩니다. 이 회로에서 발생하는 손실은 다이오드 배선 MOSFET이 부족하고 이와 관련된 임계 전압 문제가 있기 때문에 낮습니다.

회로의 다른 장점 중 하나는 위상 클록에서 출력을 효과적으로 공급하는 두 개의 전압 배가 기가 존재하기 때문에 리플 주파수가 두 배가된다는 것입니다.

이 회로의 기본적인 단점은 Dickinson 배율기의 표유 커패시턴스가이 회로보다 훨씬 덜 중요하여이 회로에서 발생하는 대부분의 손실을 설명한다는 것입니다.

예의: https://en.wikipedia.org/wiki/Voltage_doubler