Możliwe jest wykorzystanie opisanych powyżej prostych układów dioda-kondensator do podwojenia napięcia źródła prądu stałego przez poprzedzenie podwajacza napięcia układem choppera. W efekcie, konwertuje to prąd stały na zmienny przed zastosowaniem do podwajacza napięcia. Bardziej wydajne obwody mogą być zbudowane poprzez wysterowanie urządzeń przełączających z zewnętrznego zegara tak, że obie funkcje, siekanie i mnożenie, są osiągane jednocześnie. Takie układy są znane jako układy z przełączanymi kondensatorami. To podejście jest szczególnie przydatne w aplikacjach zasilanych niskim napięciem baterii, gdzie układy scalone wymagają napięcia zasilania większego niż bateria może dostarczyć. Często sygnał zegarowy jest łatwo dostępny na pokładzie układu scalonego i niewiele lub wcale nie potrzeba dodatkowych obwodów, aby go wygenerować.
Koncepcyjnie, być może najprostszą konfiguracją przełączanych kondensatorów jest ta pokazana schematycznie na rysunku 5. Tutaj dwa kondensatory są jednocześnie ładowane równolegle do tego samego napięcia. Następnie zasilanie jest wyłączane, a kondensatory są przełączane w szereg. Napięcie wyjściowe jest pobierane z dwóch kondensatorów połączonych szeregowo, w wyniku czego napięcie wyjściowe jest dwukrotnie wyższe od napięcia zasilania. Istnieje wiele różnych urządzeń przełączających, które mogą być użyte w takim obwodzie, ale w układach scalonych często stosowane są urządzenia MOSFET.
Innym podstawowym pojęciem jest pompa ładująca, której wersja została przedstawiona schematycznie na rysunku 6. Kondensator pompy ładującej, CP, jest najpierw ładowany do napięcia wejściowego. Następnie jest on przełączany na ładowanie kondensatora wyjściowego, CO, szeregowo z napięciem wejściowym, w wyniku czego CO jest ostatecznie ładowany do dwukrotnej wartości napięcia wejściowego. Może minąć kilka cykli, zanim pompie ładującej uda się w pełni naładować CO, ale po osiągnięciu stanu ustalonego konieczne jest tylko, aby CP pompował niewielką ilość ładunku równą tej, która jest dostarczana do obciążenia z CO. Gdy CO jest odłączony od pompy ładującej, częściowo rozładowuje się w obciążeniu, co powoduje tętnienie napięcia wyjściowego. To tętnienie jest mniejsze dla wyższych częstotliwości zegara, ponieważ czas rozładowania jest krótszy, a także jest łatwiejsze do filtrowania. Alternatywnie, kondensatory mogą być mniejsze dla danej specyfikacji tętnień. Praktyczna maksymalna częstotliwość zegara w układach scalonych jest zwykle rzędu setek kiloherców.
Pompa ładunkowa DicksonaEdit
Pompa ładunkowa Dicksona, lub mnożnik Dicksona, składa się z kaskady komórek diodowo-kondensatorowych z dolną płytką każdego kondensatora wysterowaną przez ciąg impulsów zegarowych. Układ ten jest modyfikacją mnożnika Cockcrofta-Waltona, ale przyjmuje na wejście prąd stały, a sygnały zegarowe dostarczają sygnału przełączającego zamiast wejścia prądu zmiennego. Mnożnik Dicksona normalnie wymaga, aby naprzemienne komórki były wysterowane z impulsów zegarowych o przeciwnej fazie. Jednakże, ponieważ podwajacz napięcia, pokazany na rysunku 7, wymaga tylko jednego etapu mnożenia, wymagany jest tylko jeden sygnał zegarowy.
Mnożnik Dicksona jest często stosowany w układach scalonych, gdzie napięcie zasilania (na przykład z baterii) jest niższe niż wymagane przez układ. Jest to korzystne w produkcji układów scalonych, że wszystkie elementy półprzewodnikowe są w zasadzie tego samego typu. MOSFETy są powszechnie standardowym blokiem logicznym w wielu układach scalonych. Z tego powodu diody są często zastępowane przez ten typ tranzystora, ale okablowanego tak, aby działał jak dioda – taki układ nazywany jest MOSFETem okablowanym diodą. Na rysunku 8 przedstawiono podwajacz napięcia Dicksona wykorzystujący diodowo okablowane n-kanałowe tranzystory MOSFET typu enhancement.
Istnieje wiele odmian i ulepszeń podstawowej pompy ładunkowej Dicksona. Wiele z nich dotyczy zmniejszenia wpływu napięcia dren-źródło tranzystora. Może to być bardzo istotne, jeśli napięcie wejściowe jest małe, jak np. w przypadku baterii o niskim napięciu. W przypadku idealnych elementów przełączających wyjście jest integralną wielokrotnością wejścia (dwa dla podwajacza), ale w przypadku baterii jednoogniwowej jako źródła wejściowego i przełączników MOSFET wyjście będzie znacznie mniejsze niż ta wartość, ponieważ duża część napięcia zostanie upuszczona na tranzystory. W przypadku obwodu wykorzystującego elementy dyskretne, dioda Schottky’ego byłaby lepszym wyborem elementu przełączającego ze względu na bardzo niski spadek napięcia w stanie włączonym. Jednak projektanci układów scalonych wolą używać łatwo dostępnego MOSFET-a i kompensować jego niedoskonałości zwiększoną złożonością obwodu.
Jako przykład, ogniwo baterii alkalicznej ma napięcie nominalne 1,5 V. Podwajacz napięcia wykorzystujący idealne elementy przełączające z zerowym spadkiem napięcia da na wyjściu dwukrotność tego napięcia, czyli 3,0 V. Jednakże spadek napięcia dren-źródło MOSFET-u podłączonego do diody, gdy jest on w stanie włączonym, musi wynosić co najmniej napięcie progowe bramki, które typowo może wynosić 0,9 V. Ten „podwajacz” napięcia zdoła jedynie podnieść napięcie wyjściowe o około 0,6 V do 2,1 V. Jeśli uwzględni się również spadek na końcowym tranzystorze wygładzającym, obwód może nie być w stanie w ogóle podnieść napięcia bez użycia wielu stopni. Typowa dioda Schottky’ego, z drugiej strony, może mieć napięcie w stanie włączonym 0,3 V. Podwajacz wykorzystujący tę diodę Schottky’ego da w rezultacie napięcie 2,7 V, lub na wyjściu za diodą wygładzającą, 2,4 V.
Kondensatory przełączane sprzężone krzyżowoEdit
Obwody z kondensatorami przełączanymi sprzężonymi krzyżowo znajdują zastosowanie przy bardzo niskich napięciach wejściowych. Bezprzewodowe urządzenia zasilane bateriami, takie jak pagery, urządzenia bluetooth i tym podobne, mogą wymagać, aby bateria jednokomórkowa nadal dostarczała energię, gdy rozładuje się do poziomu poniżej jednego wolta.
Gdy zegar ϕ 1 {{displaystyle \\phi _{1}}}
jest niski tranzystor Q2 jest wyłączany. W tym samym czasie zegar ϕ 2 {displaystyle phi _{2}} }
jest wysoki włączając tranzystor Q1 co powoduje naładowanie kondensatora C1 do Vin. Gdy ϕ 1 {displaystyle {1}} }
przechodzi w stan wysoki, górna płytka kondensatora C1 zostaje dociśnięta do dwukrotnej wartości Vin. W tym samym czasie przełącznik S1 zamyka się, więc to napięcie pojawia się na wyjściu. W tym samym czasie Q2 zostaje włączony pozwalając C2 na naładowanie się. W następnym półcyklu role się odwrócą: ϕ 1 {{displaystyle \\\\\}
będzie niski, ϕ 2 {displaystyle \\i _{2}}będzie niski.
będzie wysoki, S1 się otworzy, a S2 zamknie. W ten sposób wyjście jest zasilane naprzemiennie napięciem 2Vin z każdej strony obwodu.
Straty są niskie w tym obwodzie, ponieważ nie ma tu MOSFET-ów oplecionych diodami i związanych z nimi problemów z napięciem progowym. Obwód ma również tę zaletę, że częstotliwość tętnień jest podwojona, ponieważ są efektywnie dwa podwajacze napięcia, oba zasilające wyjście z zegarów poza fazą. Główną wadą tego obwodu jest to, że pojemności błądzące są znacznie bardziej znaczące niż w przypadku mnożnika Dicksona i stanowią większą część strat w tym obwodzie.