Het is mogelijk om de eenvoudige diode-capacitor schakelingen te gebruiken die hierboven zijn beschreven om de spanning van een DC bron te verdubbelen door de spanningsverdubbelaar vooraf te laten gaan door een chopper schakeling. Dit zet in feite de gelijkstroom om in wisselstroom vóór toepassing op de spanningsverdubbelaar. Efficiëntere schakelingen kunnen worden gebouwd door de schakelapparaten vanaf een externe klok aan te sturen, zodat beide functies, het hakken en het vermenigvuldigen, gelijktijdig worden bereikt. Dergelijke schakelingen staan bekend als geschakelde condensatorschakelingen. Deze aanpak is vooral nuttig in toepassingen met een laag voltage op batterijen, waar geïntegreerde schakelingen een grotere spanning nodig hebben dan de batterij kan leveren. Vaak is een kloksignaal gemakkelijk beschikbaar aan boord van de geïntegreerde schakeling en is weinig of geen extra schakelingen nodig om het te genereren.
Conceptueel is misschien de eenvoudigste geschakelde condensatorconfiguratie die welke schematisch is weergegeven in figuur 5. Hier worden twee condensatoren gelijktijdig parallel geladen tot dezelfde spanning. De voeding wordt dan uitgeschakeld en de condensatoren worden in serie geschakeld. De uitgang wordt genomen van over de twee condensatoren in serie, hetgeen resulteert in een uitgang die dubbel zo hoog is als de voedingsspanning. Er zijn veel verschillende schakelapparaten die in een dergelijke schakeling kunnen worden gebruikt, maar in geïntegreerde schakelingen worden vaak MOSFET-apparaten gebruikt.
Een ander basisconcept is de laadpomp, waarvan een versie schematisch is weergegeven in figuur 6. De laadpompcondensator, CP, wordt eerst opgeladen tot de ingangsspanning. Vervolgens wordt overgeschakeld op het opladen van de uitgangscondensator, CO, in serie met de ingangsspanning, zodat CO uiteindelijk wordt opgeladen tot tweemaal de ingangsspanning. Het kan verscheidene cycli duren voordat de laadpomp erin slaagt CO volledig op te laden, maar nadat de stationaire toestand is bereikt, is het alleen nog nodig dat CP een kleine hoeveelheid lading pompt die gelijk is aan die welke door CO aan de belasting wordt toegevoerd. Terwijl CO is losgekoppeld van de laadpomp ontlaadt het zich gedeeltelijk in de belasting, wat resulteert in rimpel op de uitgangsspanning. Deze rimpel is kleiner bij hogere klokfrequenties omdat de ontladingstijd korter is, en is ook gemakkelijker te filteren. Als alternatief kunnen de condensatoren kleiner worden gemaakt voor een bepaalde rimpelspecificatie. De praktische maximale klokfrequentie in geïntegreerde schakelingen ligt meestal in de honderden kilohertz.
Dickson laadpompEdit
De Dickson-laadpomp, of Dickson-vermenigvuldiger, bestaat uit een cascade van diode/condensatorcellen met de bodemplaat van elke condensator die door een klokpulstrein wordt aangedreven. De kring is een wijziging van Cockcroft-Walton-vermenigvuldiger maar neemt een input van gelijkstroom met de kloktreinen die het omschakelingssignaal in plaats van de AC input verstrekken. De Dickson-vermenigvuldiger vereist normaliter dat afwisselende cellen worden aangedreven door klokpulsen van tegengestelde fase. Aangezien echter voor een spanningsverdubbelaar (zie figuur 7) slechts één fase van vermenigvuldiging nodig is, is slechts één kloksignaal vereist.
De Dickson-vermenigvuldiger wordt vaak toegepast in geïntegreerde schakelingen waar de voedingsspanning (bijvoorbeeld van een batterij) lager is dan die welke door het schakelsysteem wordt vereist. Bij de vervaardiging van geïntegreerde schakelingen is het voordelig dat alle halfgeleidercomponenten in principe van hetzelfde type zijn. MOSFET’s zijn gewoonlijk het standaard logische blok in veel geïntegreerde schakelingen. Daarom worden de diodes vaak vervangen door dit type transistor, maar dan bedraad om als diode te werken – een opstelling die een diodebedrade MOSFET wordt genoemd. Figuur 8 toont een Dickson-spanningsverdubbelaar met gebruikmaking van diode-bedrade n-kanaals MOSFET’s.
Er zijn vele variaties en verbeteringen op de basis Dickson-laadpomp. Veel daarvan zijn gericht op het verminderen van het effect van de drain-source spanning van de transistor. Dit kan zeer belangrijk zijn als de ingangsspanning klein is, zoals bij een laagspanningsbatterij. Bij ideale schakelelementen is de uitgang een integraal veelvoud van de ingang (twee voor een verdubbelaar), maar met een ééncellige batterij als ingangsbron en MOSFET-schakelaars zal de uitgang veel minder dan deze waarde zijn omdat een groot deel van de spanning over de transistors zal vallen. Voor een schakeling die gebruik maakt van discrete componenten zou de Schottky-diode een betere keuze zijn als schakelelement vanwege de uiterst lage spanningsval in de aan-stand. Ontwerpers van geïntegreerde schakelingen geven er echter de voorkeur aan de gemakkelijk verkrijgbare MOSFET te gebruiken en compenseren de tekortkomingen ervan met een grotere complexiteit van de schakeling.
Als voorbeeld heeft een alkaline batterijcel een nominale spanning van 1,5 V. Een spanningsverdubbelaar die ideale schakelelementen met nul spanningsval gebruikt, zal het dubbele uitvoeren, namelijk 3,0 V. De daling van de drain-bronspanning van een diodebedrade MOSFET wanneer deze in de aan-stand staat, moet echter ten minste de poortdrempelspanning zijn, die typisch 0,9 V kan zijn. Deze spannings “verdubbelaar” zal er slechts in slagen de uitgangsspanning met ongeveer 0,6 V te verhogen tot 2,1 V. Als ook rekening wordt gehouden met de daling over de laatste afvlakkingstransistor, kan de schakeling de spanning helemaal niet kunnen verhogen zonder meerdere fasen te gebruiken. Een typische Schottky-diode daarentegen heeft een on-state spanning van 0,3 V. Een verdubbelaar die gebruik maakt van deze Schottky-diode zal resulteren in een spanning van 2,7 V, of aan de uitgang na de afvlakkingsdiode, 2,4 V.
Gekruiste geschakelde condensatorenEdit
Cross-coupled switched capacitor circuits komen het best tot hun recht bij zeer lage ingangsspanningen. Draadloze apparatuur die op batterijen werkt, zoals piepers, bluetooth-apparaten en dergelijke, kunnen een eencellige batterij nodig hebben om stroom te blijven leveren wanneer deze tot minder dan een volt is ontladen.
Wanneer de klok ϕ 1 {\displaystyle \phi _{1} }
laag is, wordt transistor Q2 uitgeschakeld. Tegelijkertijd wordt klok ϕ 2 {\displaystyle \phi _{2}}
hoog is, wordt transistor Q1 ingeschakeld, waardoor condensator C1 wordt opgeladen tot Vin. Wanneer ϕ 1 {\displaystyle \phi _{1}\ }
hoog wordt, wordt de bovenste plaat van C1 omhoog geduwd tot tweemaal Vin. Tegelijkertijd sluit schakelaar S1 zodat deze spanning aan de uitgang verschijnt. Tegelijkertijd wordt Q2 ingeschakeld zodat C2 zich kan opladen. Bij de volgende halve cyclus zijn de rollen omgedraaid: ϕ 1 {\displaystyle \phi _{1}\ }
laag zijn, ϕ 2 {\displaystyle \phi _{2}}
wordt hoog, S1 wordt geopend en S2 wordt gesloten. De uitgang wordt dus afwisselend aan beide zijden van de schakeling van 2Vin voorzien.
Het verlies is in deze schakeling laag omdat er geen diode-bedrade MOSFET’s zijn met de bijbehorende drempelspanningsproblemen. De schakeling heeft ook het voordeel dat de rimpelfrequentie wordt verdubbeld omdat er effectief twee spanningsverdubbelaars zijn die beide de uitgang voeden van uit fase klokken. Het belangrijkste nadeel van deze schakeling is dat de zwerfcapaciteiten veel groter zijn dan bij de Dickson-vermenigvuldiger en het grootste deel van de verliezen in deze schakeling voor hun rekening nemen.