Повышающий преобразователь 3 → 5 В на MAX660 и MAX667 — удвоитель напряжения без катушки

Преобразователь 3 → 5 В без катушки строят из двух микросхем: MAX660 удваивает напряжение батареи на переключаемых конденсаторах, а MAX667 стабилизирует результат на 5 В.

По даташиту MAX660 отдаёт до 100 мА при выходном сопротивлении 6,5 Ом (до 10 Ом). Поэтому после удвоения 3 В остаётся около 5,35 В при токе 100 мА.

Со схемой из статьи (делитель 620 и 220 кОм на выводе SET) выход MAX667 получается около 4,7 В; ровные 5 В даёт вывод SET, соединённый с землёй.

Этого хватает для стабилизатора только при свежих батарейках: расчёт показывает, что на 100 мА вход должен быть не ниже 2,9–3,1 В, а на 10 мА хватает около 2,55 В.

Классический повышающий преобразователь строят на катушке индуктивности и ключе. Здесь путь другой: конденсатор поочерёдно заряжается от батареи и подключается последовательно к ней, из-за чего на выходе напряжение примерно вдвое выше. Такой удвоитель называют зарядовым насосом.

Ниже — как устроена цепочка, данные даташитов, схема, расчёт минимального входного напряжения и тока от батареи, ошибки и вопросы.

Как устроена цепочка

MAX660 — микросхема-преобразователь на переключаемых конденсаторах: она может либо инвертировать напряжение, либо удваивать. Здесь она включена удвоителем.

MAX667 — линейный стабилизатор с малым падением напряжения. Он берёт то, что выдала MAX660, и делает из него ровные 5 В.

Что говорят даташиты

Данные по MAX660 — из даташита MAX660 (Texas Instruments):

Параметр	Значение
Питание в режиме удвоителя	2,5–5,5 В (вывод LV соединён с OUT); абсолютный максимум 6 В
Питание в режиме инвертора	1,5–5,5 В (LV на землю) или 3,5–5,5 В (LV свободен)
Выходной ток	100 мА
Выходное сопротивление при 100 мА	6,5 Ом типично, 10 Ом максимум (25 °C)
Собственный ток без нагрузки	0,12 мА при частоте 10 кГц, 1 мА при 80 кГц
Частота	10 кГц (вывод FC свободен) или 80 кГц (FC на плюс питания)
КПД	88 % при токе 100 мА; больше 90 % на большинстве нагрузок

Данные по MAX667 — из даташита Maxim (редакция 3, 10/94):

Параметр	Значение
Входное напряжение	от 3,5 до 16,5 В (абсолютный максимум 18 В)
Выходное напряжение в режиме 5 В (SET на земле)	4,8–5,2 В при токе 10 мА и входе 6 В
Максимальный выходной ток	250 мА
Падение напряжения при 200 мА	150 мВ типично, 250 мВ максимум при 25 °C; 350 мВ максимум во всём диапазоне температур
Ток покоя без нагрузки	20 мкА типично, 25 мкА максимум при 25 °C
Ток покоя в режиме выключения	0,2 мкА типично, 1 мкА максимум при 25 °C
Опорное напряжение на выводе SET (VSET)	1,225 В типично, 1,20–1,25 В
Режимы выхода	SET на земле — 5 В; SET выше 50 мВ — выход задаёт внешний делитель, от 1,3 до 16 В

Схема

Батарея B1 (3 В) подключена к выводу 3 микросхемы MAX660: в режиме удвоителя по даташиту это вход питания, а вывод 5 (OUT) — земля, к нему же подключён вывод 6 (LV).

Конденсатор C2 (150 мкФ) на выводах 2 и 4 — перекачивающий, C1 на выводе 8 — накопительный. Выход — вывод 8, он идёт на вход MAX667 (вывод 8).

Выводы 4 и 5 стабилизатора заземлены (вывод 5 — SHDN, при таком включении стабилизатор работает), выход — вывод 2 с конденсатором C3. Делитель R5 (620 кОм) и R3 (220 кОм) на выводе SET (6) переключает MAX667 в режим внешнего делителя.

Делитель R1–R2 подключён ко входу детектора разряда LBI (вывод 3); выход LBO (вывод 7) на схеме не подключён, то есть детектор не используется.

Расчёт: минимальное входное напряжение

Удвоитель даёт Uвых ≈ 2 · Uвх − Iн · Rвых. Стабилизатору нужно на входе 5 В плюс падение на нём. Отсюда минимальное напряжение батареи: Uвх,мин = (5 + Uпад + Iн · Rвых) / 2.

Пример (условный, расчёт по значениям даташитов): падение MAX667 на меньших токах принято пропорциональным току, а выходное сопротивление — 6,5 Ом типично и 10 Ом максимум.

Ток нагрузки	Типично	Худший случай
10 мА	около 2,54 В	около 2,56 В
50 мА	около 2,68 В	около 2,79 В
100 мА	около 2,86 В	около 3,09 В

Для 100 мА: типично (5 + 0,075 + 0,1 · 6,5) / 2 ≈ 2,86 В, худший случай (5 + 0,175 + 0,1 · 10) / 2 ≈ 3,09 В.

Значит, на токе 100 мА с двумя щелочными батарейками схема держит 5 В, только пока напряжение пары не упало ниже примерно 3 В, то есть почти сразу. Ниже 2,5 В MAX660 в режиме удвоителя работать не гарантирует.

Ток от батареи и пульсации

Удвоитель тянет из батареи примерно вдвое больше тока, чем отдаёт. При 50 мА на выходе из батареи идёт около 100 мА плюс собственный ток микросхем.

Пример (условный): при ёмкости пары 2000 мА·ч и токе из батареи 100 мА (то есть 50 мА на выходе) получается не больше 20 часов.

При 100 мА на выходе из батареи идёт около 200 мА, и времени вдвое меньше, около 10 часов. Реальная ёмкость щелочных элементов при таком токе меньше. Ёмкость можно пересчитать калькулятором мА·ч в А·ч.

Размах пульсаций на выходе удвоителя оценивают как ΔU ≈ I / (f · C): при 100 мА, 10 кГц и 150 мкФ получается около 0,067 В (оценка, а не данные даташита).

Установка выхода

Если SET подтянуть делителем, выход по формуле Uвых = VSET · (1 + R5 / R3). По даташиту VSET = 1,225 В (1,20–1,25 В).

Для R5 = 620 кОм и R3 = 220 кОм: 1,225 · (1 + 620 / 220) ≈ 4,68 В.

С разбросом VSET получается от 4,58 до 4,77 В. Схема с этими номиналами даёт около 4,7 В, а не 5 В.

Чтобы получить ровно 5 В, соедините вывод SET с землёй: тогда работают внутренние резисторы, и выход 4,8–5,2 В по даташиту. Для 5,0 В делителем нужно R5 / R3 = 5 / 1,225 − 1 ≈ 3,08, например 680 кОм и 220 кОм.

Минимальное входное напряжение батареи при выходе 4,68 В ниже, чем в таблице выше, примерно на (5 − 4,68) / 2 ≈ 0,16 В.

Типовые ошибки

Где пригодится сегодня

Для питания небольшой логики и датчиков от двух батареек, когда нельзя ставить катушку. Сегодня более популярны готовые повышающие модули на индуктивности: у них КПД выше и токи больше. Схема на MAX660 хороша как пример зарядового насоса.

Что в итоге

Подходит: питание слаботочной 5 В схемы от двух батареек, когда важна простота. Не подходит: нагрузка больше 100 мА и длительная работа от батарей (лишний ток на удвоение).

Когда преобразователь лучше линейного стабилизатора, объясняет обзор «Какой блок питания собрать». Сравните с повышающим преобразователем 6→15 В и материалом «DC-DC модуль или линейный стабилизатор».

Частые вопросы

Какой ток отдаёт MAX660?

По даташиту до 100 мА при выходном сопротивлении 6,5 Ом типично (10 Ом максимум) и КПД 88 % при 100 мА.

При токе 100 мА падение на выходном сопротивлении 0,65–1 В.

Зачем после MAX660 нужен MAX667?

MAX660 не стабилизирует выход: напряжение зависит от тока и батареи. MAX667 с малым падением (150 мВ типично, не больше 350 мВ при 200 мА) делает из него стабильное напряжение.

Для нагрузки, терпимой к изменению напряжения, стабилизатор можно не ставить.

Хватит ли двух пальчиковых батареек?

Для тока 100 мА нужно не менее 2,9–3,1 В на входе, поэтому только свежих. На 10–50 мА хватает 2,5–2,8 В, и батарейки отработают дольше.

В российских магазинах продаются щелочные элементы типа АА; для долгой работы берите ток поменьше.

Можно ли получить больше 100 мА?

Можно, соединив несколько MAX660 параллельно: так сказано в даташите (выходное сопротивление уменьшается, ток растёт).

Но удвоитель всё равно тянет из батареи вдвое больше тока, чем отдаёт.

Почему на выходе не ровно 5 В?

Со схемой из статьи (SET на делителе 620 и 220 кОм) выход около 4,7 В.

Это 1,225 · (1 + 620 / 220) ≈ 4,68 В. Для 5 В соедините SET с землёй: тогда работают внутренние резисторы.

Проверьте также напряжение батареи под нагрузкой.

Полезно при расчёте

• Перевод mAh ↔ AhЁмкость аккумулятора и время работы от неё
• Делитель напряженияВыходное напряжение по R1 и R2, подбор R1, влияние нагрузки
• Закон Ома и мощностьПо любым двум из четырёх величин U, I, R, P — две остальные