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- 電荷泵充放電方案
- 原理介紹
如上圖，動態電路方案的工作步驟如下所示：
- PWM1和PWM2信號控制MOS管⑤⑥給電容⑧充電(PMW1和PWM2單片機鎖頻)。
- 電容⑧和二極管⑨⑩組成單向電荷泵，將⑪充電爲負壓。
- 電阻④⑦對充放電電流進行限制。
- 保險絲③對系統工作電流進行保護。
- MOS管①對單片器驅動信號進行轉換，而後驅動MOS管⑤。
- 工作過程分析
首先對PWM這一級的電路進行仿真，其仿真電路如下：
當輸入波形爲高時(綠色)，電容C3左側爲電源電壓V1，右側電荷通過D5釋放掉，最終右側電壓維持在0.7V。
當輸入波形變爲低時，電容兩側電壓差不會突變，由於左側電壓變爲0，右側電壓則突變爲-(V1-0.7V)(即維持了電容之前的壓差)，此時電容C1充電，電流由C1流向C3，同時導致C3的電壓上升，最後假如忽略二極管D1，則C1和C2將平分電壓-(V1-0.7V)，但是由於二極管的存在，C3的電平將會比C1高0.7V。
當輸出波形在此變爲高時，電容C左側變爲V1，右側電平由於被C1中和掉一部分，故右側電平將大於0.7V，此時通過D5放電，將右側電平再次放電爲0.7V。
如上步驟重複若干次，最終C1處電壓將變爲-(V1-0.7V-0.7V)，由於上述仿真，V1爲3.3V故，C1處電平最終穩定在1.9V左右。
Vt-電容電壓，V0-初始電壓，Vmax-電源電壓，R-充電阻抗，C-電容，t-時間，E-電源電壓。
當V0=0時有：
此時有：
具體充電曲線如下：
- 電容電壓和放電時間關係：
Vt-電容電壓，E-電容初始電壓，R-放電阻抗，C-電容，t-時間。
- 參數計算
對於當前設計，有以下參數，電容100uF負載600R，電源電壓24V，假如允許電源電壓
在20V~22V擺動，則有放電時間：
對於充電從20V~22V即從0.83E充電到0.91E，對照上文，大致有：
假如按50%充電比率，則充電時間按放電時間一般，代入t衝=2.85mS，C=100uF，可得：
即充電電阻大致在28.5R左右。
綜上可得，在600R放電電阻，電容100uF，輸出電壓在20V~22V範圍內變化情況下，
電路應做如下配置：
- 充電電阻爲28.5R左右
- PWM週期在175Hz左右
根據上述參數做仿真如下：
如上圖，仿真結果基本與結算吻合。
然後引入動態電路，二極管按理想二極管，壓降設爲0，仿真結果如下：
仿真結果如上，由於雙電容增加的容抗和延時，電壓略有下降，基本也在-20V左右。
用雙MOS控制上下電，仿真結果如下所示：
將二極管回調至0.7V壓降，仿真結果如下：
將充電電阻調至10R，頻率提高到10KHz，仿真結果如下：
綜上，在電容100uF，充電電阻28.5R，操作頻率175Hz的情況下，基本上能保證負載
600R在20V左右電平工作。
假如需要提升電荷泵性能，可從充電電阻和操作頻率兩方面做調節。
電感
- 電感充放電方案(開關電源方案)
- 方案介紹
此方案可視爲變壓器隔離方案的變形，將變壓器隔離方案中的變壓器使用一個電感代替，
利用電感的續流功能工作，此方案的工作流程如下：
- PWM1控制光耦隔離①，週期性通斷。
- 電感②在斷開時，進入續流模式，通過二極管③，將電容④充電爲負壓。
- V1+和V1-給第二級電路供電，第二級電路工作原理同第一級電路。
- 在OUT端生成電壓V2+和V2-驅動外部繼電器。
如上圖所示，採用R3,4R將系統限流到6A，電感採樣採用22uH常用電感，設置系統工
作頻率爲25KHz，第一級工作波形如下如所示：
如上圖，在MOS管關閉(藍色爲低時)，流經電感的電流不會馬上消失(紅色部分)，而是
轉由二極管續流，此時V2電壓被瞬間拉低爲負壓，隨着續流電流減小，V2頁逐漸趨近於0，
這個過程V3被充電，由於沒有釋放路徑電壓逐漸增加。
在MOS打開時(藍色爲高時)，電流急劇增加，由於電感的存在，給V2提供一個瞬間的
感應電壓，隨着電流趨於穩定，V2電壓逐漸被拉低，趨近於0。
通過上述分析，第一級在工作時，會不斷給V3即C1充電，故第二級電路可用此作供電電源。
第二級的工作狀態如下：
同第一級的工作原理類似，V6會被不斷充電，並提供給模擬負載R6使用100R內阻。
將整個採樣時間加長，得到仿真波形如下：
如上圖所示，系統最後能提供20V左右壓降。
將系統工作頻率調節爲1KHz，仿真波形如下：
如上圖，在低頻情況下，系統無法正常工作。
- 變壓器隔離方案
- 方案簡介
方案的功能示意圖如下所示：
如上圖，此電路的工作流程如下：
- PWM1驅動光耦隔離器①，進而驅動繼電器②週期性導通。
- 繼電器②週期性導通，會有交流信號進入整流橋③。
- 交流信號經過整流橋③，變爲直流信號進入電容④，電容④將直流信號蓄能。
- PWM2驅動光耦隔離器⑤，使用電容④儲存的能量，通過電阻⑥轉化爲電壓信號，進而驅動MOS管⑦。
- MOS管⑦週期性導通，步驟同①~③，最後電容⑩蓄能。
- 電容⑩驅動外部的繼電器。
- 仿真與分析
- 變壓器工作原理
如上圖：
u1-電源電壓；i1-初級線圈工作電流；r1-初級線圈內阻；e1-初級線圈反向電動勢；
N1-初級線圈匝數；L1-初級線圈電感。
u2-輸出電壓；i2-輸出電流；r2-次級線圈內阻；e2-次級線圈感應電動勢；N2-次級線
圈匝數；L2-次級線圈電動勢。
Φ-磁通，I-初級線圈總電流，R-次級線圈負載。
其工作過程如下所示：
1：初級線圈增加電源U1；
2：U1產生逐漸增大的電流i1；
3：逐漸增大的i1產生變化的磁通F；
4：變化的磁通F在次級線圈產生感應電壓U2；
5：U2產生感應電流i2，i2又產生磁通疊加到F；
6：新增磁通在初級線圈產生感應電流；
- 變壓器工作頻率問題
根據如上工作過程，可得變壓器要想正常工作，初級線圈必須產生變化的電流。對於初
級線圈，是一個經典的RL充放電過程：
在這個過程中，有：τ=L/R
電路充電，i=Io[1-e^(-t/τ)]，Io是最終穩定電流。
電路放電，i=Io×e^(-t/τ)]，Io是短路前L中電流。
對於初級線圈，Io=U/R，U是電源電壓，R是線圈內阻，如此可計算得充放電時間t，則
對於變壓器，工作頻率應小於1/t，否則變壓器將工作在直流模式下，失去效果。
搭建仿真電路，U=100V，L=10H，R=100R，t=L/R=0.1,最終電流Io=1A，電流=0.5A
則有：
0.5=1 [1-e^(-t/0.1)]
t=0.06931s
- 變壓器工作電流問題
對於如上變壓器，我們假設N1=N2，L1=L2，且不考慮飽和問題，則其等效電路如下：
對於次級線圈右側，剛上電時，e2=u1，隨着φ變化率的變慢，e2逐漸減小，故：
i2max=U1/(r1+r2+R)
對於初級線圈，I=i1+i2，有如下過程：
- 剛上電，L相當於斷路，I1=0，I=i2
- 電流變化中，i2減小，i1增加，I=i1+i2
- 直流時，L相當於短路，i1最大，i2=0，I=i1=U/R1
如上仿真，設置r1=r2=R=115，N1=N2，L=3.8H，初始狀態有：
I=i2=24/(115+115+115)=0.069A
隨後i2逐漸減小，i1逐漸增大，i1可用上面的充電方程計算，或將次級線圈斷路，即
i2=0仿真，這個過程滿足：
I=i1+i2
最大達到直流時，u2變爲0，i2=0，且有
I=i1=24/115=0.208A
- 變壓器性能特點1
忽略漏磁等問題，對變壓器有：
Φ=U/(4.44fN)
可見磁通和頻率f，匝數N成反比。頻率越高，磁通越少，磁通越少輸出功率越少，故
高頻信號在低頻變壓器中會出現輸出輸出功率不足問題。
- 變壓器性能特點2
由於變壓器工作在線圈充放電狀態，充放電時間越長，電流越大(見上文公式)，故低頻
信號在高頻變壓器(一般電感L較小)中容易出現電流過大，甚至燒燬現象。
- 變壓器性能特點3
對變壓器次級線圈有：
i2=U/(r1+r2+R)
可見，線圈內阻越大將直接影響變壓器的帶載能力，過大內阻也會導致變壓器發熱嚴重，故變壓器一般將內阻做的很小。