Il est possible d’utiliser les circuits simples diode-condensateur décrits ci-dessus pour doubler la tension d’une source continue en faisant précéder le doubleur de tension d’un circuit hacheur. En effet, cela convertit le courant continu en courant alternatif avant l’application au doubleur de tension. Des circuits plus efficaces peuvent être construits en pilotant les dispositifs de commutation à partir d’une horloge externe de sorte que les deux fonctions, le hachage et la multiplication, soient réalisées simultanément. Ces circuits sont connus sous le nom de circuits à capacités commutées. Cette approche est particulièrement utile dans les applications alimentées par des piles à faible tension où les circuits intégrés nécessitent une tension d’alimentation supérieure à celle que la pile peut fournir. Fréquemment, un signal d’horloge est facilement disponible à bord du circuit intégré et peu ou pas de circuit supplémentaire est nécessaire pour le générer.
Conceptuellement, la configuration de condensateurs commutés la plus simple est peut-être celle représentée schématiquement sur la figure 5. Ici, deux condensateurs sont simultanément chargés à la même tension en parallèle. L’alimentation est ensuite coupée et les condensateurs sont commutés en série. La sortie est prise aux bornes des deux condensateurs en série, ce qui donne une sortie double de la tension d’alimentation. Il existe de nombreux dispositifs de commutation différents qui pourraient être utilisés dans un tel circuit, mais dans les circuits intégrés, les dispositifs MOSFET sont fréquemment employés.
Un autre concept de base est la pompe de charge, dont une version est représentée schématiquement à la figure 6. Le condensateur de la pompe de charge, CP, est d’abord chargé à la tension d’entrée. Il est ensuite commuté pour charger le condensateur de sortie, CO, en série avec la tension d’entrée, ce qui fait que CO est finalement chargé à deux fois la tension d’entrée. Plusieurs cycles peuvent être nécessaires avant que la pompe de charge ne parvienne à charger complètement CO, mais une fois le régime permanent atteint, il suffit que CP pompe une petite quantité de charge équivalente à celle fournie à la charge par CO. Lorsque CO est déconnecté de la pompe de charge, il se décharge partiellement dans la charge, ce qui entraîne une ondulation de la tension de sortie. Cette ondulation est plus faible pour les fréquences d’horloge plus élevées puisque le temps de décharge est plus court, et elle est également plus facile à filtrer. Il est également possible de réduire la taille des condensateurs pour une spécification d’ondulation donnée. La fréquence d’horloge maximale pratique dans les circuits intégrés se situe généralement dans les centaines de kilohertz.
Pompe de charge de DicksonEdit
La pompe de charge de Dickson, ou multiplicateur de Dickson, consiste en une cascade de cellules diodes/condensateurs, la plaque inférieure de chaque condensateur étant pilotée par un train d’impulsions d’horloge. Ce circuit est une modification du multiplicateur de Cockcroft-Walton, mais il accepte une entrée en courant continu, les trains d’horloge fournissant le signal de commutation au lieu de l’entrée en courant alternatif. Le multiplicateur de Dickson exige normalement que les cellules alternées soient commandées par des impulsions d’horloge de phase opposée. Cependant, étant donné qu’un doubleur de tension, illustré à la figure 7, ne nécessite qu’un seul étage de multiplication, un seul signal d’horloge est nécessaire.
Le multiplicateur de Dickson est fréquemment employé dans les circuits intégrés où la tension d’alimentation (d’une batterie par exemple) est inférieure à celle requise par les circuits. Il est avantageux dans la fabrication de circuits intégrés que tous les composants semi-conducteurs soient fondamentalement du même type. Les MOSFET sont généralement le bloc logique standard de nombreux circuits intégrés. C’est pourquoi les diodes sont souvent remplacées par ce type de transistor, mais câblé pour fonctionner comme une diode – un arrangement appelé MOSFET câblé en diode. La figure 8 montre un doubleur de tension de Dickson utilisant des MOSFET de type à enrichissement à canal n câblés en diode.
Il existe de nombreuses variations et améliorations de la pompe de charge de base de Dickson. Beaucoup d’entre elles visent à réduire l’effet de la tension drain-source du transistor. Cela peut être très significatif si la tension d’entrée est faible, comme une batterie à faible tension. Avec des éléments de commutation idéaux, la sortie est un multiple entier de l’entrée (deux pour un doubleur), mais avec une batterie monocellulaire comme source d’entrée et des commutateurs MOSFET, la sortie sera bien inférieure à cette valeur, car une grande partie de la tension sera perdue aux bornes des transistors. Pour un circuit utilisant des composants discrets, la diode Schottky serait un meilleur choix d’élément de commutation en raison de sa chute de tension extrêmement faible à l’état passant. Cependant, les concepteurs de circuits intégrés préfèrent utiliser le MOSFET facilement disponible et compenser ses insuffisances par une complexité accrue du circuit.
À titre d’exemple, une pile alcaline a une tension nominale de 1,5 V. Un doubleur de tension utilisant des éléments de commutation idéaux avec une chute de tension nulle produira le double de cette tension, à savoir 3,0 V. Cependant, la chute de tension drain-source d’un MOSFET câblé par une diode lorsqu’il est à l’état passant doit être au moins la tension de seuil de la grille qui pourrait typiquement être de 0,9 V. Ce « doubleur » de tension ne réussira qu’à augmenter la tension de sortie d’environ 0,6 V à 2,1 V. Si la chute à travers le transistor de lissage final est également prise en compte, le circuit peut ne pas être capable d’augmenter la tension du tout sans utiliser plusieurs étages. Une diode Schottky typique, d’autre part, pourrait avoir une tension à l’état passant de 0,3 V. Un doubleur utilisant cette diode Schottky donnera une tension de 2,7 V, ou à la sortie après la diode de lissage, 2,4 V.
Condensateurs commutés à couplage croiséEdit
Les circuits à condensateurs commutés à couplage croisé prennent tout leur sens pour les très basses tensions d’entrée. Les équipements sans fil alimentés par batterie, tels que les téléavertisseurs, les dispositifs bluetooth et autres, peuvent nécessiter qu’une batterie monocellulaire continue à fournir de l’énergie lorsqu’elle s’est déchargée à moins d’un volt.
When clock ϕ 1 {\displaystyle \phi _{1}\ }
est basse le transistor Q2 est désactivé. Au même moment, l’horloge ϕ 2 {\displaystyle \phi _{2}\ }
est élevée allumant le transistor Q1 ce qui a pour conséquence de charger le condensateur C1 à Vin. Lorsque ϕ 1 {\displaystyle \phi _{1}\ }
devient élevée, la plaque supérieure de C1 est poussée vers le haut jusqu’à deux fois Vin. En même temps, l’interrupteur S1 se ferme pour que cette tension apparaisse à la sortie. Au même moment, Q2 est allumé permettant à C2 de se charger. Au demi-cycle suivant, les rôles seront inversés : ϕ 1 {\displaystyle \phi _{1}\ }.
sera basse, ϕ 2 {\displaystyle \phi _{2}\}
sera haute, S1 s’ouvrira et S2 se fermera. Ainsi, la sortie est alimentée par 2Vin alternativement de chaque côté du circuit.
Les pertes sont faibles dans ce circuit car il n’y a pas de MOSFETs câblés en diode et leurs problèmes de tension de seuil associés. Le circuit a également l’avantage que la fréquence d’ondulation est doublée parce qu’il y a effectivement deux doubleurs de tension alimentant tous deux la sortie d’horloges déphasées. Le principal inconvénient de ce circuit est que les capacités parasites sont beaucoup plus importantes qu’avec le multiplicateur de Dickson et représentent la plus grande partie des pertes dans ce circuit.