Analisi di una pompa di carica a tensione negativa in LTspice: sorgente e resistenza di carico

In precedenza, ho scritto un articolo che spiegava i principi di base della tensione negativa e ho continuato questo tema con un laboratorio LTspice che utilizzava simulazioni per chiarire che la tensione negativa è qualcosa che si verifica e viene prodotto dai circuiti elettrici. Nell'ambito di questo laboratorio LTspice, introdurrò anche una topologia di circuito in grado di produrre una tensione negativa stabile e in grado di fornire corrente ad altri componenti.

In questa nuova serie di articoli, vorrei dare uno sguardo più dettagliato alla funzionalità di questo circuito a tensione negativa, con l'obiettivo di migliorare la nostra comprensione di come un alimentatore a condensatore commutato nella vita reale e gli alimentatori, in generale, può essere ottimizzato.

Prima di approfondire, diamo un'occhiata alla Figura 1, che mostra il circuito della pompa di carica che ho presentato in precedenza nell'ultimo articolo sulla tensione negativa.

Nello schema del circuito, V1 produce la tensione di ingresso e V2 genera un'onda quadra da 500 kHz che controlla tutti e quattro gli interruttori. A causa dei diversi valori di resistenza assegnati agli stati acceso e spento nei modelli SW1 e SW2, S1 e S3 sono accesi quando S2 e S3 sono spenti e viceversa. La tensione sorgente carica il condensatore C1 quando S1 e S3 consentono il flusso di corrente, quindi tutti e quattro gli interruttori cambiano stato, in modo tale che C1 si scarichi sul lato destro del circuito.

Successivamente, C2 acquisisce una differenza di potenziale pari alla tensione sorgente V1, ma poiché il terminale a tensione più alta di C2 è messo a terra, il terminale a tensione più bassa deve spostarsi nella regione di tensione negativa. Pertanto, la tensione sul nodo INVERTITO è uguale a V negativa (SOURCE). In altre parole, VOUT = –VIN.

Il grafico seguente (Figura 2) mostra la tensione di uscita che scende fino a –VIN e poi rimane.

Forse ti stai chiedendo se il circuito del condensatore commutato è troppo bello per essere vero. Solo due condensatori, quattro interruttori e un'onda quadra? Questo è tutto ciò di cui abbiamo bisogno per generare un rail di alimentazione di tensione negativa ben regolato? Beh, non proprio; questo circuito non è in realtà un regolatore di tensione.

Non è un regolatore di tensione perché manca qualcosa che è centrale per il funzionamento sia dei regolatori lineari che dei regolatori a modalità di commutazione: un sottosistema di feedback. I regolatori mantengono tensioni di alimentazione stabili e prevedibili monitorando l'uscita e compensando le variazioni di carico tramite feedback negativo.

La nostra pompa di carica a condensatore commutato non dispone di alcun tipo di sistema di controllo a feedback negativo e, di conseguenza, una diminuzione della resistenza di carico causerà una corrispondente diminuzione della tensione di uscita. Ciò si verifica perché la rete di uscita è essenzialmente un partitore di tensione. Tenendo questo in mente, abbiamo il –VIN completo in uscita quando RLOAD = 100 kΩ solo perché 100 kΩ è molto più alto della resistenza della sorgente (ROUT) della pompa di carica. Man mano che RLOAD diminuisce verso ROUT, la tensione viene divisa più equamente tra queste due resistenze e quindi la tensione di uscita (ovvero la tensione ai capi di RLOAD) diminuisce.

Puoi anche pensarci in termini di corrente di carico. Diciamo che il funzionamento della circuiteria di carico cambia in modo tale che l'alimentatore deve erogare più corrente (questo equivale elettricamente ad una riduzione di RLOAD). Quando ciò si verifica, più corrente fluisce attraverso il ROUT, più tensione viene eliminata attraverso il ROUT e una proporzione minore della differenza di potenziale di ingresso è disponibile sul nodo di uscita.

Possiamo utilizzare un comando di testo .step, posizionato direttamente sullo schema LTspice, per valutare visivamente l'effetto della variazione di RLOAD:

Questa istruzione farà sì che la simulazione venga eseguita una volta per ciascun valore nell'elenco allegato alla variabile LOAD. Vogliamo assegnare questi valori al componente RLOAD e lo realizziamo utilizzando {LOAD} (non dimenticare le parentesi graffe) nel campo valore componente (mostrato nella Figura 3):

Il risultato può essere visto nella Figura 4 qui sotto.

I tre valori di resistenza più alti (100 kΩ, 10 kΩ, 1 kΩ) portano tutti a prestazioni simili e le tracce corrispondenti a questi tre valori sono quasi indistinguibili. Tuttavia, a 100 Ω (la traccia beige), iniziamo a notare una diminuzione della tensione di uscita, e a 10 Ω (la traccia verde), la diminuzione è piuttosto grave.