在上一篇文章中，我已經(jīng)向您展示了如何使用經(jīng)典的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LMC7660 IC構(gòu)建自己的開關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)換器電路。但是通常情況下，當(dāng)您沒有特定的IC可用或額外IC的成本破壞了BOM的和諧時(shí)。這就是我們心愛的555定時(shí)器IC來拯救的地方。這就是為什么要減少為特定應(yīng)用尋找特定芯片的痛苦，并降低BOM成本;我們將使用我們心愛的555定時(shí)器來構(gòu)建，演示和測試帶有555定時(shí)器IC的正負(fù)電荷泵電路。

什么是電荷泵電路?

電荷泵是一種由二極管和電容器組成的電路，通過將二極管和電容器配置成特定的配置，使輸出電壓高于輸入電壓或低于輸入電壓。我說的低，是指相對于地的負(fù)電壓。此外，像每個(gè)電路一樣，這種電路有一些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，我們將在文章后面討論。

要知道電路是如何工作的，我們需要研究兩者的原理圖，首先是電荷泵升壓電路和電荷泵逆變電路。

電荷泵升壓電路

為了更好地理解電路，讓我們假設(shè)我們正在使用理想的二極管和電容器來構(gòu)建如圖1所示的電路。同樣，我們假設(shè)電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，電容器充滿電。此外，我們沒有負(fù)載連接到這個(gè)電路，考慮到這些條件，工作原理如下所述。

借助圖1和圖2，我們將解釋電荷泵電路的工作原理。

現(xiàn)在讓我們假設(shè)我們已經(jīng)連接了來自信號發(fā)生器的PWM信號，并且信號在0-5V范圍內(nèi)振蕩。

當(dāng)位置-0的輸入PWM信號為0V時(shí)，位置-1的電壓為+5V或VCC。所以，這就是為什么電容器被充電到+5V或VCC。在下一個(gè)周期中，當(dāng)PWM信號從0V切換到5V時(shí)，位置1的電壓現(xiàn)在為+10V。如果您觀察圖1。&圖2你可以觀察到為什么電壓會(huì)翻倍。

它翻了一倍，因?yàn)殡娙萜鹘K端的參考被篩選，由于二極管的作用，電流不能在反向流過二極管，所以，在位置1，我們最終得到一個(gè)移位的方波，它高于偏置電壓或輸入電壓。現(xiàn)在，您可以理解圖2中波形位置1的效果。

之后，信號被饋送到經(jīng)典的單二極管整流電路以平滑方波并在輸出處獲得+10V直流電壓。

在位置2的下一階段，電壓為+10V，您可以從圖1中驗(yàn)證?，F(xiàn)在在下一個(gè)周期中，同樣的現(xiàn)象再次發(fā)生，在二極管和電容器完成最終整流后，我們最終在位置4處獲得+15V輸出。

這就是電荷泵升壓電路的工作原理。

接下來，我們將看到電荷泵逆變器或負(fù)電荷泵是如何工作的。

電荷泵逆變器

負(fù)電壓電荷泵是有點(diǎn)棘手的解釋，但請留在我，我會(huì)解釋它是如何工作的。

在圖3位置-0的第一個(gè)周期中，輸入信號為0V，沒有任何事情發(fā)生，但是一旦PWM信號在位置-0達(dá)到5V，電容器開始通過二極管D1充電，很快它將在位置-1具有5V?，F(xiàn)在我們有一個(gè)處于正偏置狀態(tài)的二極管，所以在位置1的電壓幾乎瞬間變?yōu)?V?，F(xiàn)在，當(dāng)輸入PWM信號再次變低時(shí)，位置-1的電壓為0V。此時(shí)，PWM信號將減去值，我們將在位置1處獲得-5V。

現(xiàn)在，經(jīng)典的單二極管整流器將完成它的工作，將脈沖信號轉(zhuǎn)換成平滑的直流信號，并將電壓存儲在電容器C2中。

在電路的下一階段，即位置3和位置4，同樣的現(xiàn)象將同時(shí)發(fā)生，我們將在電路的輸出處得到一個(gè)穩(wěn)定的-10V DC。

這就是負(fù)電荷泵電路的工作原理。

注意!請注意，我在這一點(diǎn)上沒有提到位置2，因?yàn)檎缒憧梢詮奈恢?的電路中看到的，電壓將是-5V。

組件的要求

?定時(shí)器IC - 2

?LM7805穩(wěn)壓器IC - 1

?0.1 uF電容器- 4

?0.01uF電容器- 2

?4.7uF電容器- 8

?肖特基二極管- 8

?680歐姆電阻- 2

?330歐姆電阻- 2

?12V直流電源- 1

?通用單規(guī)格線- 18

?通用面包板- 1

原理圖

電荷泵增壓器電路：

電荷泵逆變器電路：

為了演示，在原理圖的幫助下，電路在無焊面包板上構(gòu)造。所有的組件都放置得盡可能的緊密和整潔，以減少不必要的噪音和紋波。

計(jì)算

需要計(jì)算555定時(shí)器IC的PWM頻率和占空比，因此，我已經(jīng)在555定時(shí)器穩(wěn)定電路計(jì)算器工具的幫助下計(jì)算了555定時(shí)器的頻率和占空比。

對于實(shí)際電路，我使用了相當(dāng)高的10 kHz頻率，以減少電路中的紋波。計(jì)算結(jié)果如下所示

正負(fù)電荷泵電路測試裝置

為了測試電路，使用以下工具和設(shè)置：

?12V開關(guān)電源(SMPS)

?Meco 108B+萬用表

?Meco 450B+萬用表

?漢科600BE USB PC示波器

該電路采用1%的金屬膜電阻，不考慮電容的容差。在測試期間，室溫為30攝氏度。

這里輸入電壓為5V，我已將12V電源連接到5V 7805穩(wěn)壓器。所以整個(gè)系統(tǒng)由+5V直流供電。

上圖顯示555定時(shí)器IC的頻率為8KHz，這是因?yàn)殡娮韬碗娙莸娜莶钜蛩亍?

從上面兩幅圖中，你可以計(jì)算電路的占空比，結(jié)果是63%。我已經(jīng)事先測量過了，所以我不打算再計(jì)算一次。

接下來在上面的圖像中，可以看到輸出電壓下降了相當(dāng)多的倍壓器和電壓逆變器電路，因?yàn)槲乙呀?jīng)連接了一個(gè)9.1K的負(fù)載。

根據(jù)歐姆定律可以很容易地計(jì)算出通過9.1K電阻的電流，倍壓電路的電流為1.21mA，電壓逆變電路的電流為0.64mA。

現(xiàn)在只是為了好玩，讓我們看看如果我們連接一個(gè)1K的電阻作為負(fù)載會(huì)發(fā)生什么。你可以看到倍壓電路，它不是在一個(gè)狀態(tài)，用來為任何東西供電。

輸出端的紋波是驚人的。如果你想用這種電源給任何東西供電，肯定會(huì)毀了你的一天。

為了澄清，這里有一些電路的特寫鏡頭。

進(jìn)一步增強(qiáng)

?電路可以進(jìn)一步修改以滿足特定應(yīng)用的特定需要。

?為了產(chǎn)生更好的結(jié)果，可以將電路內(nèi)置到穿孔板或PCB中。

?可以增加一個(gè)電位器來進(jìn)一步提高555電路的輸出頻率

?紋波可以通過使用更高值的電容器或使用更高頻率的PWM信號來減少。

?一個(gè)LDO可以添加到電路的輸出，以獲得一個(gè)相對恒定的輸出電壓。

應(yīng)用程序

該電路可用于許多不同的應(yīng)用，如：

?你可以用這個(gè)電路驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器

?LCD也可以在此電路的幫助下驅(qū)動(dòng)。

?借助電壓逆變電路實(shí)現(xiàn)雙極性供電運(yùn)放。

?您還可以驅(qū)動(dòng)需要+12V電源的前置放大器電路以達(dá)到操作條件。

本文編譯自circuitdigest