Análisis de una bomba de carga de voltaje negativo en LTspice: fuente y resistencia de carga

Anteriormente, escribí un artículo que explicaba los principios básicos del voltaje negativo y continué este tema con un laboratorio de LTspice que usó simulaciones para dilucidar el voltaje negativo como algo que ocurre y es producido por circuitos eléctricos. Como parte de este laboratorio de LTspice, también presentaré una topología de circuito que puede producir un voltaje negativo que es estable y capaz de suministrar corriente a otros componentes.

En esta nueva serie de artículos, me gustaría echar un vistazo más detallado a la funcionalidad de este circuito de voltaje negativo, con el objetivo de mejorar nuestra comprensión de cómo una fuente de alimentación de capacitor conmutado de la vida real y las fuentes de alimentación, en general, se puede optimizar

Antes de sumergirnos, veamos la Figura 1, que muestra el circuito de la bomba de carga que presenté anteriormente en el último artículo sobre voltaje negativo.

En el esquema del circuito, V1 produce el voltaje de entrada y V2 genera una onda cuadrada de 500 kHz que controla los cuatro interruptores. Debido a los diferentes valores de resistencia asignados a los estados de encendido y apagado en los modelos SW1 y SW2, S1 y S3 están encendidos cuando S2 y S3 están apagados, y viceversa. El voltaje de la fuente carga el capacitor C1 cuando S1 y S3 permiten el flujo de corriente, luego los cuatro interruptores cambian de estado, de modo que C1 se descarga en el lado derecho del circuito.

Luego, C2 adquiere una diferencia de potencial igual al voltaje de la fuente V1, pero dado que la terminal de mayor voltaje de C2 está conectada a tierra, la terminal de menor voltaje debe cambiar a la región de voltaje negativo. Por lo tanto, el voltaje en el nodo INVERTIDO es igual a V negativo (FUENTE). En otras palabras, VOUT = –VIN.

El diagrama a continuación (Figura 2) muestra el voltaje de salida bombeando hacia abajo y luego permaneciendo en –VIN.

Tal vez se esté preguntando si el circuito de capacitor conmutado es demasiado bueno para ser verdad. ¿Solo dos condensadores, cuatro interruptores y una onda cuadrada? ¿Eso es todo lo que necesitamos para generar un riel de suministro de voltaje negativo bien regulado? Bueno, no del todo; este circuito no es en realidad un regulador de voltaje.

No es un regulador de voltaje porque carece de algo que es fundamental para el funcionamiento tanto de los reguladores lineales como de los reguladores de modo de conmutación: un subsistema de retroalimentación. Los reguladores mantienen voltajes de suministro estables y predecibles al monitorear la salida y compensar las variaciones de carga a través de la retroalimentación negativa.

Nuestra bomba de carga de condensador conmutado no tiene ningún tipo de sistema de control de retroalimentación negativa y, en consecuencia, una disminución en la resistencia de carga provocará una disminución correspondiente en el voltaje de salida. Esto ocurre porque la red de salida es esencialmente un divisor de tensión. Con eso en mente, tenemos el VIN completo en la salida cuando RLOAD = 100 kΩ solo porque 100 kΩ es mucho más alto que la resistencia de la fuente (ROUT) de la bomba de carga. A medida que RLOAD disminuye hacia ROUT, el voltaje se divide más equitativamente entre estas dos resistencias y, por lo tanto, el voltaje de salida (es decir, el voltaje a través de RLOAD) disminuye.

También puede pensar en esto en términos de corriente de carga. Digamos que la operación del circuito de carga cambia de tal manera que el suministro debe entregar más corriente (esto es eléctricamente equivalente a una reducción en RLOAD). Cuando esto ocurre, fluye más corriente a través de ROUT, cae más voltaje a través de ROUT y una proporción más pequeña de la diferencia de potencial de entrada está disponible en el nodo de salida.

Podemos usar un comando de texto .step, colocado directamente en el esquema de LTspice, para evaluar visualmente el efecto de variar RLOAD:

Esta declaración hará que la simulación se ejecute una vez para cada valor en la lista adjunta a la variable LOAD. Queremos asignar estos valores al componente RLOAD, y lo logramos usando {LOAD} (no olvide las llaves) en el campo de valor del componente (que se muestra en la Figura 3):

El resultado se puede ver en la Figura 4 a continuación.

Los tres valores de resistencia más altos (100 kΩ, 10 kΩ, 1 kΩ) conducen a un rendimiento similar y las trazas correspondientes a estos tres valores son casi indistinguibles. Sin embargo, a 100 Ω (el trazo beige), comenzamos a notar una disminución en el voltaje de salida, y a 10 Ω (el trazo verde), la disminución es bastante severa.

(Estoy seguro de que también notó que la ondulación del voltaje aumenta significativamente a medida que disminuye la resistencia de carga. Hablaremos de eso en la Parte 2).

Simulaciones como esta nos ayudan a determinar si el circuito mantendrá el voltaje de salida adecuado para una aplicación dada. Digamos que necesitamos un voltaje negativo para alimentar un componente con un requisito de suministro de –5 V ± 0,3 V; la magnitud de voltaje mínima aceptable, en este caso, es 4,7 V. Usando nuestros resultados anteriores como punto de partida, creamos otra simulación (Figura 5) con valores RLOAD que nos acercarán al umbral de voltaje relevante.

Nuestros resultados sugieren que la RLOAD segura mínima está un poco por debajo de 70 Ω. Lo llamaremos 65 Ω. Una simulación de ejecución única con RLOAD = 65 Ω confirma que estamos (teóricamente) dentro del rango aceptable, que se puede ver a continuación en la Figura 6.

La ley de Ohm nos dice que la corriente de carga con RLOAD = 65 Ω será de aproximadamente 74 mA; si lo desea, puede confirmarlo mediante simulación. Por lo tanto, concluimos que si la corriente de carga total es inferior a 74 mA, la bomba de carga podrá mantener un voltaje de suministro negativo adecuado para el componente en cuestión.

En general, examinamos algunos detalles interesantes de una bomba de carga de capacitor conmutado LTspice, señalando que el circuito no es un regulador de voltaje y usando simulaciones de .paso para determinar las capacidades de corriente de carga. En el próximo artículo, veremos más de cerca la ondulación de salida.