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May 22, 2023

LTspice에서 네거티브 전압 차지 펌프 분석 - 소스 및 부하 저항

이전에 부정의 기본 원리를 설명한 글을 쓴 적이 있습니다.

이전에는 음전압의 기본 원리를 설명하는 기사를 썼고, 전기 회로에서 발생하고 생성되는 음전압을 설명하기 위해 시뮬레이션을 사용하는 LTspice 연구소에서 이 주제를 계속했습니다. 이 LTspice 연구실의 일환으로 안정적이고 다른 구성 요소에 전류를 공급할 수 있는 음전압을 생성할 수 있는 회로 토폴로지도 소개하겠습니다.

이 새로운 기사 시리즈에서는 실제 스위치드 커패시터 전원 공급 장치와 전원 공급 장치가 일반적으로 어떻게 작동하는지에 대한 이해를 높이기 위한 목적으로 이 네거티브 전압 회로의 기능을 더 자세히 살펴보고 싶습니다. 최적화될 수 있습니다.

본격적인 설명에 앞서 지난 음전압 기사에서 소개한 차지 펌프 회로를 보여주는 그림 1을 살펴보겠습니다.

회로도에서 V1은 입력 전압을 생성하고 V2는 4개의 스위치를 모두 제어하는 ​​500kHz 구형파를 생성합니다. SW1 및 SW2 모델의 켜짐 상태와 꺼짐 상태에 할당된 저항 값이 다르기 때문에 S2와 S3이 꺼지면 S1과 S3이 켜지고 그 반대도 마찬가지입니다. S1과 S3이 전류 흐름을 허용할 때 소스 전압은 커패시터 C1을 충전하고, 4개의 스위치 모두 상태를 변경하여 C1이 회로의 오른쪽으로 방전됩니다.

다음으로 C2는 V1 전원전압과 동일한 전위차를 획득하지만, C2의 높은 전압 단자가 접지되어 있으므로 낮은 전압 단자가 음전압 영역으로 이동해야 합니다. 따라서 INVERTED 노드의 전압은 음의 V(SOURCE)와 같습니다. 즉, VOUT = –VIN입니다.

아래 플롯(그림 2)은 출력 전압이 –VIN으로 펌핑다운된 후 남아 있는 것을 보여줍니다.

아마도 스위치드 커패시터 회로가 사실이라고 하기에는 너무 좋은지 궁금할 것입니다. 커패시터 2개, 스위치 4개, 구형파 1개만 있으면 되나요? 이것이 적절하게 조정된 음전압 공급 레일을 생성하는 데 필요한 전부입니까? 글쎄요, 그렇지는 않습니다. 이 회로는 실제로 전압 조정기가 아닙니다.

선형 조정기와 스위치 모드 조정기의 작동에 핵심적인 요소인 피드백 하위 시스템이 부족하기 때문에 전압 조정기가 아닙니다. 레귤레이터는 출력을 모니터링하고 네거티브 피드백을 통해 부하 변동을 보상함으로써 안정적이고 예측 가능한 공급 전압을 유지합니다.

우리의 스위치드 커패시터 차지 펌프에는 어떤 종류의 네거티브 피드백 제어 시스템도 없기 때문에 부하 저항이 감소하면 그에 따라 출력 전압도 감소합니다. 이는 출력 네트워크가 본질적으로 전압 분배기이기 때문에 발생합니다. 이를 염두에 두고 100kΩ이 차지 펌프의 소스 ​​저항(ROUT)보다 훨씬 높기 때문에 RLOAD = 100kΩ일 때 출력에 전체 –VIN이 있습니다. RLOAD가 ROUT 쪽으로 감소함에 따라 전압은 이 두 저항 사이에 더 균등하게 분배되므로 출력 전압(즉, RLOAD 양단의 전압)이 감소합니다.

부하 전류 측면에서도 이를 생각해 볼 수 있습니다. 부하 회로의 작동이 변경되어 공급 장치가 더 많은 전류를 공급해야 한다고 가정해 보겠습니다. 이는 RLOAD가 감소하는 것과 전기적으로 동일합니다. 이런 일이 발생하면 ROUT을 통해 더 많은 전류가 흐르고, ROUT 전체에서 더 많은 전압이 떨어지며, 입력 전위차 중 더 작은 부분이 출력 노드에서 사용 가능하게 됩니다.

다양한 RLOAD의 효과를 시각적으로 평가하기 위해 LTspice 회로도에 바로 배치된 .step 텍스트 명령을 사용할 수 있습니다.

이 명령문을 사용하면 LOAD 변수에 연결된 목록의 각 값에 대해 시뮬레이션이 한 번씩 실행됩니다. 우리는 이러한 값을 RLOAD 구성 요소에 할당하려고 하며 구성 요소 값 필드에서 {LOAD}(중괄호를 잊지 마세요)를 사용하여 이를 수행합니다(그림 3 참조).

그 결과는 아래 그림 4에서 볼 수 있다.

세 가지 가장 높은 저항 값(100kΩ, 10kΩ, 1kΩ)은 모두 비슷한 성능을 나타내며 이 세 가지 값에 해당하는 트레이스는 거의 구별이 불가능합니다. 그러나 100Ω(베이지색 선)에서는 출력 전압의 감소가 나타나기 시작하고, 10Ω(녹색 선)에서는 감소가 다소 심합니다.