Analyse d'une pompe de charge à tension négative dans LTspice - Source et résistance de charge

Auparavant, j'ai écrit un article qui expliquait les principes de base de la tension négative, et j'ai poursuivi ce thème avec un laboratoire LTspice qui a utilisé des simulations pour élucider la tension négative comme quelque chose qui se produit dans et est produit par des circuits électriques. Dans le cadre de ce laboratoire LTspice, je présenterai également une topologie de circuit capable de produire une tension négative stable et capable de fournir du courant à d'autres composants.

Dans cette nouvelle série d'articles, je voudrais examiner plus en détail la fonctionnalité de ce circuit de tension négative, dans le but d'améliorer notre compréhension de la façon dont une alimentation à condensateur commuté et des alimentations électriques réelles, en général, peut être optimisé.

Avant de plonger, regardons la figure 1, qui montre le circuit de pompe de charge que j'ai précédemment présenté dans le dernier article sur la tension négative.

Dans le schéma du circuit, V1 produit la tension d'entrée et V2 génère une onde carrée de 500 kHz qui contrôle les quatre commutateurs. En raison des différentes valeurs de résistance attribuées aux états activé et désactivé dans les modèles SW1 et SW2, S1 et S3 sont activés lorsque S2 et S3 sont désactivés, et vice versa. La tension de la source charge le condensateur C1 lorsque S1 et S3 permettent la circulation du courant, puis les quatre commutateurs changent d'état, de sorte que C1 se décharge dans le côté droit du circuit.

Ensuite, C2 acquiert une différence de potentiel égale à la tension de la source V1, mais comme la borne de tension supérieure de C2 est mise à la terre, la borne de tension inférieure doit passer dans la région de tension négative. Ainsi, la tension au nœud INVERSÉ est égale à V(SOURCE) négatif. En d'autres termes, VOUT = –VIN.

Le graphique ci-dessous (Figure 2) montre la tension de sortie pompant jusqu'à puis restant à –VIN.

Vous vous demandez peut-être si le circuit à condensateur commuté est trop beau pour être vrai. Juste deux condensateurs, quatre commutateurs et une onde carrée ? C'est tout ce dont nous avons besoin pour générer un rail d'alimentation à tension négative bien régulé ? Eh bien, pas tout à fait; ce circuit n'est pas réellement un régulateur de tension.

Ce n'est pas un régulateur de tension car il manque quelque chose qui est au cœur du fonctionnement des régulateurs linéaires et des régulateurs à découpage : un sous-système de rétroaction. Les régulateurs maintiennent des tensions d'alimentation stables et prévisibles en surveillant la sortie et en compensant les variations de charge par une rétroaction négative.

Notre pompe de charge à condensateur commuté n'a aucune sorte de système de contrôle de rétroaction négative, et par conséquent, une diminution de la résistance de charge entraînera une diminution correspondante de la tension de sortie. Cela se produit parce que le réseau de sortie est essentiellement un diviseur de tension. Dans cet esprit, nous avons le –VIN complet à la sortie lorsque RLOAD = 100 kΩ uniquement parce que 100 kΩ est beaucoup plus élevé que la résistance de source (ROUT) de la pompe de charge. Lorsque RLOAD diminue vers ROUT, la tension est répartie plus également entre ces deux résistances, et ainsi la tension de sortie (c'est-à-dire la tension aux bornes de RLOAD) diminue.

Vous pouvez également penser à cela en termes de courant de charge. Disons que le fonctionnement du circuit de charge change de sorte que l'alimentation doit fournir plus de courant (ceci est électriquement équivalent à une réduction de RLOAD). Lorsque cela se produit, plus de courant circule dans ROUT, plus de tension chute dans ROUT et une plus petite proportion de la différence de potentiel d'entrée est disponible au niveau du nœud de sortie.

Nous pouvons utiliser une commande de texte .step, placée directement sur le schéma LTspice, pour évaluer visuellement l'effet de la variation de RLOAD :

Cette instruction entraînera l'exécution de la simulation une fois pour chaque valeur de la liste attachée à la variable LOAD. Nous voulons attribuer ces valeurs au composant RLOAD, et nous y parvenons en utilisant {LOAD} (n'oubliez pas les accolades) dans le champ component-value (illustré à la figure 3) :

Le résultat peut être vu dans la figure 4 ci-dessous.

Les trois valeurs de résistance les plus élevées (100 kΩ, 10 kΩ, 1 kΩ) conduisent toutes à des performances similaires, et les traces correspondant à ces trois valeurs sont quasiment indiscernables. Cependant, à 100 Ω (la trace beige), on commence à remarquer une diminution de la tension de sortie, et à 10 Ω (la trace verte), la diminution est plutôt sévère.

(Je suis sûr que vous avez également remarqué que l'ondulation de tension augmente de manière significative à mesure que la résistance de charge diminue. Nous en discuterons dans la partie 2.)

Des simulations comme celle-ci nous aident à déterminer si le circuit maintiendra une tension de sortie adéquate pour une application donnée. Disons que nous avons besoin d'une tension négative pour alimenter un composant avec un besoin d'alimentation de –5 V ± 0,3 V ; l'amplitude de tension minimale acceptable, dans ce cas, est de 4,7 V. En utilisant nos résultats précédents comme point de départ, nous créons une autre simulation (Figure 5) avec des valeurs RLOAD qui nous rapprocheront du seuil de tension pertinent.

Nos résultats suggèrent que la RLOAD minimale de sécurité est un peu inférieure à 70 Ω. Nous l'appellerons 65 Ω. Une simulation à un seul passage avec RLOAD = 65 Ω confirme que nous sommes (théoriquement) dans la plage acceptable, comme on peut le voir ci-dessous sur la figure 6.

La loi d'Ohm nous dit que le courant de charge avec RLOAD = 65 Ω sera d'environ 74 mA - vous pouvez le confirmer par simulation si vous le souhaitez. Ainsi, nous concluons que si le courant de charge total est inférieur à 74 mA, la pompe de charge sera en mesure de maintenir une tension d'alimentation négative adéquate pour le composant en question.

Dans l'ensemble, nous avons examiné quelques détails intéressants d'une pompe de charge à condensateur commuté LTspice, en notant que le circuit n'est pas un régulateur de tension et en utilisant des simulations .step pour déterminer les capacités de courant de charge. Dans le prochain article, nous examinerons de plus près l'ondulation de la sortie.