提高电压倍增器的方法有哪些?

电器工程 交换 电荷泵 乘数 数码宝贝
2022-01-16 18:46:07

我正在研究 Nixie 电源,但我想改进它。

  • 我有 4x9V 电池串联,总共 36V 可通过乘法器切换。
  • TTL)555 定时器仅从第一个 9V 电池稳定运行,以产生 8.5-ish 伏特方波,10kHz(或您想要的任何频率,我猜),大约。50%的关税。
  • 555 输出驱动N 沟道 BS170 MOSFET的栅极。
  • MOSFET漏极通过一个大约 1.2kΩ 的电阻连接到高达 36V 的电压该电阻需要尽可能低才能将电流推入:
  • 一个 6 级Cockcroft-Walton 乘法器,可在空载下产生约 220VDC 的良好输出。不幸的是,当由一个与管子串联的 47kΩ 电阻器加载时,它会下降到大约 155VDC。

示意图

IN-14 由 36V 乘法器驱动

我喜欢这个电路的地方:

  • 它有效™
  • 它可以由我手头可能拥有的极其常见的部件构建,例如:
  • 它不需要电感器。
  • 它不需要专门的IC,例如升压转换器。
  • 它只需要具有额定电压的电容器和二极管来处理每个阶段,而不是完整的shebang。
  • 它使 Multisim 崩溃。

我不喜欢这个电路的地方:

  • 仅在 ~600μA 负载下,输出电压下降至 ~155VDC。
  • 我太愚蠢了,想不出一个更好的方法来在乘法器上切换 36V:
  • 虽然 555 定时器输出很高,但我在漏极电阻上浪费了超过 1W 的功率来驱动乘法器。
  • 乘法器输入电压受到漏极电阻器的阻碍。

我怎样才能:

  • 进行改进以使 ~10mA 的电源输出下降小于 40V?

我努力了:

  • 用这样的东西替换 MOSFET 驱动器部分:

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

我烤了不少尝试这个逆变器的晶体管。如图所示,逆变器的栅极被 10kΩ 电阻上拉至 36V。栅极充电时间是否可能是破坏晶体管的原因?

编辑:我刚刚意识到两个逆变器 FET 的栅源电压的最大额定值为 ±20V。这可以解释为什么他们油炸。嗯,也许我可以制作一个分压器来分别驱动每个栅极而不是单个 10kΩ?

  • 阅读有关改进方法的维基百科文章:

由于这些原因,只有在需要相对较低的输出电流时才使用具有大量级数的 CW 乘法器。这些影响可以通过增加较低级的电容、增加输入电源的频率以及使用具有方波或三角波的交流电源来部分补偿。

  • 研究其他流行的 Nixie 电源设计,例如这些

我怀疑在乘法器上更有效地切换 36V 将大大有助于提高性能。

编辑/总结:更有效地在乘法器上切换 36V 对提高性能大有帮助。正如一些人所建议的那样,所谓的“推拉”是一种快速解决方法。具有单独驱动栅极的 CMOS 反相器使电荷泵更加有效:

555 通过推挽更有效地切换 36V

现在,当装有两个管子时,电源电压约为 216VDC,这是一个巨大的改进:

支持更大的负载

4个回答

您需要从第一个原理图中去掉 Rd,并使用第二个原理图中的低阻抗推挽输出。但是,正如您所说的那样,36v 将烘烤 20v Vgs FET 的栅极。Vgsmax 大于 20v 的 fet 很少,据我所知,没有一个大于 30v。

其中的选项是使用

a) 合适的电平转换器来控制 FET 栅极,小型双极型在这里可以很好地工作
b) 栅极驱动变压器(尽管通常仅用于更高功率的应用)
c) 两个电池的 18v 推挽驱动怎么样,但在推-拉,像这样...

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

我在这里说明了 4 个阶段,对更多阶段的扩展是显而易见的。

现在,我还没有连接上电容。有两种选择

a) Cockcroft Walton stylee,您受到最大电压的限制。在这里,您将 C5 连接到 D1/D2 接头。这允许通过每个电容器的低电压,但导致高输出阻抗。也称为维拉德级联,虽然是由 Greinacher 发明的。

b) Dickson 电荷泵样式,导致输出阻抗低得多。C5 连接回 C2 的驱动端。这意味着 C5 需要更高的额定电压,但如果您可以便宜地获得具有合适额定电压的电容,通常可以使用 250v 甚至 400v,那么这种配置具有更低的电压随电流下降。

将电阻器 \$R_D\$ 替换为电感器,从而为您提供升压转换器。这样一来,您就可以使用电压 \$\gg 36V\$ 开始电压倍增。

但请确保

  • MOSFET 可以提供电压(对于 BS170 \$V_{DS,max}\$ 为 60V)和
  • MOSFET可以处理最大值。电流(主要取决于工作电压、开关频率和电感);对于 BS170 \$I_{D,max}\$ 为 0.5A。

栅极上的 36 V 电压会损坏器件。您需要找到合适的 MOSFET 驱动电路。

BS170 栅极-源极电压的绝对最大额定值:\$|V_{GSS}| < 20~V\$。

修复电路的最简单方法是使用晶体管推挽级。上拉电阻 \$R_1\$ 只需小一点。说 \$3.3 ~k\Omega\$?

作为电压倍增器,其电流输出与其电压输出成反比。因此,要增加电流输出,您有两种选择,无需退出拓扑:

1)增加驱动电流:555可以提供200ma,你的bs170可以提供几ma。您可以尝试使用发射极跟随器作为缓冲区;或专职司机;

2)增加驱动电压:以尽可能高的电压运行整个设备;

如果我是你,我会先尝试直接用 555 驱动乘法器。如果这不能提供足够的电流,请考虑另一种方法,例如升压转换器。