给定理想的组件,电荷泵能达到100%的效率吗?


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最近有关循环给电容器充电的问题使我想起了我曾经读过的东西。我记得,它表明不可能用理想的元件构建效率为100%的电荷泵,但如果元件理想,则可以用电感器构建效率为100%的升压转换器。

这会与其他人产生共鸣吗?有什么办法证明或反驳这一事实吗?

需要明确的是:我们假设我们有理想的组件。我意识到,使用真正的元件,没有真正的电路会100%高效。二极管的压降可能为零。晶体管可能是不消耗能量来改变状态的理想开关。导线的电阻可能为零。

Answers:


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一切都与二元论有关。使用理想的组件,您可以制造出理想的SMPS型电压转换器(=使用电感器来完成工作)。您不能使用开关(飞跨)电容器来制造理想的电压转换器。这并不是说宇宙对电容器不公平:您可以使用开关电容器来制造理想的电流转换器,而使用电感器是不可能的。

我无法不理会数学,但是电容器和电压源的问题是这样的:采用具有一定源阻抗(=串联电阻)的电压源。在其上连接一个电容器并对其加载无限的时间(任何有限的时间也可以)。计算作为串联电阻的函数的串联电阻的能量损失量。现在从数学上考虑该方程式的极限是零电阻。您会发现能量损失将保持不变。直观上这是因为较小的电阻会导致较高的初始负载电流,并因此导致较高的RI 2损耗。

管理摘要:您不能将理想的电压源连接到电容器,因为这将导致无限大的电流,这本身是不可能的,并且会导致无限的磁场,从而破坏宇宙(开玩笑,请记住,这是管理摘要)。但是您可以根据需要尽可能接近地实现这一理想,结果仍然是相同的:在给电容器充电时会损失固定的能量。因此:对不起老板,没有理想的飞跨电容器电压转换器。


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实际上,您无法获得无限的电流。任何非零面积的电路都具有非零电感,即使没有电阻,这也会限制电流。但是电磁能量会从电路中散发出去,因此您仍然无法获得100%的效率(但这也适用于基于电感器的开关转换器)。
Dave Tweed13年

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我猜Phil会要求零尺寸的零件和导体来解决这个问题:)
Wouter van Ooijen 2013年

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还要考虑将放电的电容器连接到一个相等值的带电电容器的常见考试问题,比较在连接之前和均衡时间之后的总存储能量。
克里斯·斯特拉顿

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@DaveTweed,不,没有电感它们将不会振荡,否则否则就不会有“惯性”来继续电流,直到电压差首先达到零为止。
克里斯·斯特拉顿

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@DaveTweed-理想的电容器是无感的。无法构建理想电容器是完全不同的主题,与理想电容器在电路中的理论行为无关。两个连接的理想电容器均衡-控制其理想行为的方程式需要它。
克里斯·斯特拉顿

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当从恒定电压源为恒定电压负载供电时,无电感器电荷泵不能达到100%的效率。如果源电流和电压波形与负载电流和电压波形具有适当的关系,则使用理想组件​​制造的无电感器电荷泵可能具有100%的效率。源电压或负载电压可以是恒定的DC,但不能两者都恒定(在琐碎的情况下,两个电压相同且电荷泵无需执行任何操作)。

注意:包含内部电流源的电荷泵可以将输入功率从恒压源转换为外部恒压负载,效率为100%,其中从一个内部电流源汲取的任何能量为更换下。另一方面,这种电流源将简单地代替电感器。


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您能否详细说明“适当的关系”是什么?
Phil Frost

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可能的关系有无数种,我不确定是否有任何特别好的方式来描述它们。另一方面,我可以举一个例子:假设一个有两个串联的电容器,其中一个被充电到5伏,另一个被放电。两个电容器之间是一个5K电阻(消耗1mA电流)。如果一个将2mA电源连接到已放电的电容,则它将以与另一个电容放电相同的速率从0到5伏充电。如果随后将2mA电源切换到另一个电容,则可以有效地重复此过程。
2013年

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2mA电源将看到其两端的电压从0伏升至5伏,然后基本上立即下降至零,然后升至5伏,依此类推。在输入电压低于2.5伏期间,电路将消耗较少的能量从源头到负载 到该点的输入和输出能量之间的差异将匹配两个上限的总能量的变化。当输入电压超过2.5伏时,输入能量将超过输出能量,差动能量将补充电容。
2013年

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如果不是恒定电流源,而是交流电压源,其电压波形与恒定电流源产生的波形相匹配,则电路行为将与恒定电流源相同。当前来源。请注意,尽管为简单起见,本示例中的电压从0伏到5伏,但它可能使用的电压从-5变为+5。如果增加一个极性开关,则可以容纳三角波而不是锯齿波。
超级猫

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对于升压转换器,您可以设计具有理想组件的转换器,并且所有方程式仍然有意义,电压和电流仍然有限。通过这些电压和电流,您可以获得100%的效率。

具有零杂散电阻的电荷泵根本无法以这种方式进行分析。尝试这样做会导致荒谬的答案。通过完美的开关将完美的电容器连接到完美的电压源时会发生什么?尝试计算当前结果会导致除数为零。同样的问题也适用于连接两个理想电容器。

假设我们有一个充电到给定电压的电容器,然后通过一个电阻将其连接到更高电压的电压源。现在让我们假设我们让它充满电(暂时忽略这样做将花费无限时间)。我们发现,改变电阻器的值不会改变效率,从电压源汲取的总能量保持不变。然而,效率取决于电容器的起始电压与电压源的电压之间的比率。当电压差趋于零时,较小的电压差将导致趋于100%的较高效率。

在我们的电荷泵中,没有无限的充电/放电时间,因此电阻的确会影响效率,但是随着电阻趋于零效率(对于有限的电压差),其有限数量趋于小于100%。

在每个开关周期传输的电荷与电容上电容的电压变化有关。为了将有限的平均电流传输到负载,我们要么需要每个周期传输有限的电荷,要么需要拥有无限多个周期。

因此,制造100%有效的电荷泵将需要一个无限大的电容器或一个无限高的开关频率。


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好吧,这实际上取决于我们对“理想组件”的追求。如果二极管的正向压降为0伏,BJT的基极阈值为0伏,饱和度为0伏,电流增益无限,而FET的栅极阈值为0伏,Rds为0欧姆,那么很可能是可以实现100%高效的换油泵。

即使在升压转换器的情况下,除非开关FET和反激二极管在我上面所描述的意义上是理想的,否则效率也不是100%。同样,电感器的DC R必须等于0。


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我们一直在寻找理想的组件。FET是理想的开关,不消耗任何能量来改变状态,而二极管则没有压降,这两者都是公平的。
Phil Frost

@PhilFrost-好吧。我不认为为什么电荷泵不能达到100%的效率...只要所有导线的电阻也为零欧姆。:-)
Michael Karas

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在两个电容器或电容器的串联组之间传递能量的唯一方法是在它们连接的点之间存在电位差。任何这种情况都可以建模为连接两个电容器C1和C2,并充电至电压V1和V2。连接前的能量为(C1·V1·V1 + C2·V2·V2)/ 2。连接后的电压为(C1·V1 + C2·V2)/(C1 + C2),能量为(C1·V1 + C2·V2)·(C1·V1 + C2·V2)/ 2 (C1 + C2)。两个能量唯一相等的时间是V1 = V2,这意味着什么也没发生。
超级猫

有一种方法可以使无电感器电荷泵具有100%的效率,但前提是要满足有关输入和输出的某些其他条件。
超级猫
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