Charge-Pump in LTspice

Simulation mit 2x 74HC14 (Schmitt-Trigger Inverter)

Die Schaltung wird an +5V betrieben und soll mittels Ladungspumpe eine Spannung von rund 14V (z.B. für die Ansteuerung eines High-Side N-Kanal MOSFET) erzeugen. Der nötige Takt am Eingang des 1. Inverters wird hier durch ein PWM-Signal 5V mit f=1MHz und einem dutycycle von 50% erzeugt.

Schaltung charge-pump

Der Inverter (als Beispiel 74HC14) befindet sich in der Library im Ordner ”Digital” mit der Bezeichnung schmtinv wie in der folgenden Abbildung dargestellt:

schmitt-trigger-inverter

Diesem “Allroundinverter” müssen jetzt aber noch ein paar Spice-Parameter mitgeteilt werden.

Allroundinverter

Component Attribute Editor

Diese Parameter werden wie in der folgenden Abbildung im Component Attribute Editor eingetragen. Um den Editor zu öffnen einfach mit der rechten Maustaste auf das Bauelement klicken.

Component Attribute Editor

In der SpiceLine und SpiceLine2 werden nun die benötigten Parameter eingetragen.

 

Diese Parameter sind:

  • Voltage high, Voltage low, Thresholdvoltage (Vt), Hysterese (Vh)
  • Risetime (Trise), Falltime (Tfall) und Delaytime (Td)

 

Parameter vom 74HC14 von NXP

Die benötigten Parameter lassen sich aus dem jeweiligen Datenblatt heraus lesen. In diesem Beispiel werden die Parameter vom 74HC14 von NXP für die Simulation verwendet.

74HC14 von NXP

 

Delaytime

(hier 15ns, im Beispiel wurden 10ns eingetragen)

74HC14 Delaytime

 

Rise-time und fall-time

74HC14 rise-time und fall-time

 

Threshold Voltage und Hysterese

74HC14 Threshold Voltage und Hysterese

 

74HC14 Hysterese

Die Hysterese ist die Differenz aus Vt+ und Vt-

74HC14 Hystere

 

Die Delaytime (Verzögerungszeit) ist die Zeit die vergeht, bis der Ausgang auf eine Änderung am Eingang reagiert (Td = tPHL).

74HC14 Delaytime

 

Sind alle Werte eingetragen, dann sollte das Ergebnis der Simulation wie folgt aussehen:

Simulationsergebnis charge-pump

Die Ausgangsspannung erreicht nach ca. 50ms einen stabilen Wert von 13,7V.

 

In der folgenden Variante wird der Takt durch einen Rechteckgenerator mit einem 74HC14 erzeugt. C4 wird hierbei permanent geladen und entladen.
Bedingt durch die Hysterese des 74HC14 und die Kombination R6 zu C4 können damit ganz einfach Rechteckschwingungen mit einer bestimmten Frequenz erzeugt werden.
Dieser Rechteckgenerator taktet hier die charge pump.

Es kann vorkommen, dass bei größer werdenden Schaltungen Konvergenzprobleme auftreten und dadurch die Simulationsberechnung extrem lange dauert.
Um das zu vermeiden, empfiehlt sich hier der Einsatz der Spice-Direktive .nodeset wie in diesem Beispiel verwendet:

Spice-Direktive .nodeset

 

Wie im Datenblatt von NXP angegeben kann die Taktfrequenz (genauer gesagt die Frequenz der Umschaltungen) wie folgt berechnet werden:

umschaltfrequenz

74HC14 Berechnung

 

Der K-Faktor ist im Datenblatt angegeben:

 K-factor 74HC14

 

Für einen K-Faktor von 0,95 einem Widerstand von 1k und einem Kondensator von 100nF errechnet sich eine Umschaltfrequenz von 10526Hz.
Da sich eine Rechteckschwingung aus zwei Umschaltungen zusammensetzt, ergibt sich somit eine Frequenz der Rechteckschwingung von 10526/2 = 5263Hz.

Die Messung bestätigt das rechnerische Ergebnis:

Rechteckschwingung

 

Betrachtet man die Ausgangsspannung, so stellt sich nach ca. 30ms eine Spannung von 13,7V ein.

Spannungskurve 74HC14