Det är möjligt att använda de enkla diode-kondensatorkretsar som beskrivs ovan för att fördubbla spänningen i en likströmskälla genom att föregå spänningsfördubblaren med en chopperkrets. Detta omvandlar i själva verket likströmmen till växelström innan den appliceras på spänningsfördubblaren. Effektivare kretsar kan byggas genom att driva kopplingsanordningarna från en extern klocka så att båda funktionerna, hackning och multiplikation, uppnås samtidigt. Sådana kretsar kallas switchade kondensatorkretsar. Detta tillvägagångssätt är särskilt användbart i lågspänningsbatteridrivna tillämpningar där integrerade kretsar kräver en högre spänning än vad batteriet kan leverera. Ofta är en klocksignal lätt tillgänglig ombord på den integrerade kretsen och lite eller ingen ytterligare krets behövs för att generera den.
Konceptuellt sett är kanske den enklaste konfigurationen med omkopplade kondensatorer den som visas schematiskt i figur 5. Här laddas två kondensatorer samtidigt parallellt till samma spänning. Därefter stängs matningen av och kondensatorerna kopplas in i serie. Utgången tas från de två kondensatorerna i serie, vilket resulterar i en utgång som är dubbelt så hög som matningsspänningen. Det finns många olika kopplingsanordningar som skulle kunna användas i en sådan krets, men i integrerade kretsar används ofta MOSFET-enheter.
Ett annat grundkoncept är laddningspumpen, varav en version visas schematiskt i figur 6. Laddningspumpens kondensator, CP, laddas först till ingångsspänningen. Därefter övergår den till att ladda utgångskondensatorn, CO, i serie med ingångsspänningen, vilket resulterar i att CO slutligen laddas till dubbelt så mycket som ingångsspänningen. Det kan ta flera cykler innan laddningspumpen lyckas ladda CO fullt ut, men efter det att stabilt tillstånd har uppnåtts är det bara nödvändigt för CP att pumpa en liten mängd laddning som motsvarar den som levereras till lasten från CO. Medan CO är bortkopplad från laddningspumpen laddas den delvis ut i belastningen, vilket resulterar i en krusning i utgångsspänningen. Denna krusning är mindre för högre klockfrekvenser eftersom urladdningstiden är kortare, och den är också lättare att filtrera. Alternativt kan kondensatorerna göras mindre för en given rippelspecifikation. Den praktiska maximala klockfrekvensen i integrerade kretsar ligger vanligtvis på hundratals kilohertz.
Dickson laddningspumpEdit
Dickson-laddningspumpen, eller Dickson-multiplikatorn, består av en kaskad av dioder/kondensatorceller där bottenplattan på varje kondensator drivs av ett klockpulståg. Kretsen är en modifiering av Cockcroft-Walton-multiplikatorn men tar emot en likströmsingång där klockspåren ger omkopplingssignalen i stället för växelströmsingången. Dickson-multiplikatorn kräver normalt att alternativa celler drivs av klockpulser med motsatt fas. Men eftersom en spänningsdubbler, som visas i figur 7, endast kräver ett multiplikationssteg krävs endast en klocksignal.
Dickson-multiplikatorn används ofta i integrerade kretsar där matningsspänningen (från ett batteri till exempel) är lägre än vad som krävs av kretsen. Vid tillverkning av integrerade kretsar är det fördelaktigt att alla halvledarkomponenter är av i princip samma typ. MOSFETs är vanligen standardlogikblock i många integrerade kretsar. Därför ersätts dioderna ofta av denna typ av transistor, men kopplad för att fungera som en diod – ett arrangemang som kallas en diodkopplad MOSFET. Figur 8 visar en Dickson-spänningsfördubblare med hjälp av diodledda n-kanals MOSFETs av förstärkningstyp.
Det finns många variationer och förbättringar av den grundläggande Dickson-laddningspumpen. Många av dessa handlar om att minska effekten av transistorens drain-source-spänning. Detta kan vara mycket betydelsefullt om ingångsspänningen är liten, t.ex. ett lågspänningsbatteri. Med idealiska kopplingselement är utgångssignalen en helhetsmultipel av ingångssignalen (två för en dubbler), men med ett encellsbatteri som ingångskälla och MOSFET-omkopplare kommer utgångssignalen att vara mycket mindre än detta värde, eftersom en stor del av spänningen kommer att falla över transistorerna. För en krets som använder diskreta komponenter skulle Schottky-dioden vara ett bättre val av kopplingselement på grund av dess extremt låga spänningsfall i påslaget tillstånd. Konstruktörer av integrerade kretsar föredrar dock att använda den lättillgängliga MOSFET:n och kompenserar för dess brister med ökad komplexitet i kretsen.
Som exempel kan nämnas att en alkalisk battericell har en nominell spänning på 1,5 V. En spänningsfördubblare som använder ideala kopplingselement med noll spänningsfall kommer att ge det dubbla, nämligen 3,0 V. Spänningsfallet mellan drain och källa för en diodkopplad MOSFET när den är påslagen måste dock vara minst grindtröskelspänningen, som typiskt kan vara 0,9 V. Denna spänningsfördubblare kommer endast att lyckas höja utgångsspänningen med cirka 0,6 V till 2,1 V. Om man även tar hänsyn till fallhöjden över den sista utjämningstransistorn kan kretsen kanske inte öka spänningen alls utan att använda flera steg. En typisk Schottky-diod kan å andra sidan ha en spänning i påslaget tillstånd på 0,3 V. En fördubblare som använder denna Schottky-diod kommer att resultera i en spänning på 2,7 V, eller vid utgången efter utjämningsdioden, 2,4 V.
Kors-kopplade switchade kondensatorerRedigera
Kretsar med kors-kopplade switchade kondensatorer kommer till sin rätt för mycket låga ingångsspänningar. Trådlös batteridriven utrustning som personsökare, bluetooth-enheter och liknande kan kräva att ett encellsbatteri fortsätter att leverera ström när det har laddats ur till under en volt.
När klockan ϕ 1 {\displaystyle \phi _{1}\ }
är låg stängs transistor Q2 av. Samtidigt klockan ϕ 2 {\displaystyle \phi _{2}\ }
är hög och slår på transistor Q1 vilket resulterar i att kondensator C1 laddas till Vin. När ϕ 1 {\displaystyle \phi _{1}\ }
blir hög trycks den övre plattan av C1 upp till två gånger Vin. Samtidigt stängs strömbrytaren S1 så att denna spänning visas vid utgången. Samtidigt slås Q2 på så att C2 kan laddas. Vid nästa halvcykel kommer rollerna att vara omvända: ϕ 1 {\displaystyle \phi _{1}\ }
kommer att vara låg, ϕ 2 {\displaystyle \phi _{2}\ }
kommer att vara hög, S1 kommer att öppnas och S2 kommer att stängas. På så sätt matas utgången med 2Vin växelvis från varje sida av kretsen.
Förlusten är låg i den här kretsen eftersom det inte finns några diodledda MOSFETs och deras tillhörande tröskelspänningsproblem. Kretsen har också den fördelen att rippelfrekvensen fördubblas eftersom det i praktiken finns två spänningsfördubblare som båda försörjer utgången från urfasade klockor. Den främsta nackdelen med denna krets är att de ströande kapacitanserna är mycket större än med Dickson-multiplikatorn och står för större delen av förlusterna i denna krets.