Stáhněte si tento článek ve formátu .PDF

Nabíjecí pumpa je typ spínaného napájecího zdroje (SMPS), který se používá jako stejnosměrný měnič nebo regulátor s vhodnou zpětnou vazbou. Nábojová pumpa je často přehlížena při úvahách o nové konstrukci vyžadující tyto obvody. Vzhledem ke své jednoduchosti a dalším výhodám může být nabíjecí čerpadlo lepší volbou než použití lineárního regulátoru s nízkým odstupem (LDO) nebo spínaného regulátoru s použitím induktoru. Při svém příštím návrhu možná budete chtít zvážit tento klasický obvod a jeho výhody.

Základy nabíjecí pumpy

Základní obvod nabíjecí pumpy je spínaný stejnosměrný měnič, který je často potřeba v návrzích vyžadujících více než jedno stejnosměrné napájecí napětí. Skládá se ze spínačů a kondenzátorů. Spínače jsou obvykle diody v diskrétních provedeních, ale také MOSFETy v provedeních s integrovanými obvody. Kondenzátory jsou elektrolytické nebo keramické v závislosti na rychlosti spínání. Není potřeba žádný induktor.

1. Základní konfigurace zdvojovače napětí je nejběžnějším zapojením nábojové pumpy.

Obrázek 1 ukazuje základní nábojovou pumpu, která je zapojena jako zdvojovač napětí. Provoz je dvoustupňový cyklus nabíjení a vybíjení, kdy se „létající“ kondenzátor C1 nabíjí a poté vybíjí do C2. Když hodiny přivedou výstup invertoru 1 na nízkou úroveň, D1 je v předpětí a nabíjí C1 na stejnosměrné napětí. D2 je v této době vypnutý. Poté hodiny přivedou výstup měniče 1 na vysokou hodnotu V DC.

Na obrázku 2 je uvedeno několik příkladů diskrétních nabíjecích čerpadel využívajících oblíbený integrovaný obvod 555 s časovačem. Na obrázku 2a je zdvojovač napětí. Časovač 555 pracuje jako astabilní multivibrátor s frekvencí nastavenou pomocí R1, R2 a C1. Obdélníková vlna na výstupu na vývodu 3 se přepíná z +5 V na napětí blízké zemi. Když je pin 3 nízký, C3 se nabíjí přes D1 na +5 V. Když pin 3 přejde na +5 V, D2 vede a spojí +5 V z časovače v sérii s +5 V na C1, čímž se nabíjí C4. Na výstupu je +10 V po odečtení úbytků na diodě.Náboj na C1 je nyní v sérii s V DC z měniče 1. Výstup měniče 2 je nízký, takže D2 je v předpětí a C2 se nabíjí na 2 V ss. Výstup přes zátěž je 2 V ss, po odečtení úbytků na diodě a případných ztrát v měničích. Schottkyho diody se upřednostňují kvůli nižším úbytkům dopředného napětí a vysokým rychlostem spínání. Rychlost taktování se může pohybovat v rozmezí od 10 kHz do 2 MHz. Pokud se přidá více segmentů diod a kondenzátorů, může se napětí ztrojnásobit nebo zečtyřnásobit (nebo dokonce zvýšit).

2. Oblíbený integrovaný obvod s časovačem 555 lze zapojit jako zdvojovač napětí (a), nebo jako měnič napětí (b).

Nábojovou pumpu lze nakonfigurovat jako měnič napětí, jak je vidět na obrázku 2b. Pomocí vývodu 3 se kondenzátor +5 V C3 nabíjí přes D1. Když pin 3 přejde na zem, D2 je v předpětí a C3 se vybíjí do C4. Zde se napájení +5 V přemění na výstup přibližně -5 V, po odečtení úbytků na diodě. Takový obvod invertoru je užitečný, když je potřeba záporné napájení. Příkladem je situace, kdy je potřeba plusové a minusové napájení pro operační zesilovač.

Všechny nabíjecí pumpy jsou určitou kombinací spínačů a kondenzátorů. Většina integrovaných nabíjecích pump používá spínače MOSFET s nízkým zapínacím odporem a integrované hodiny. Kondenzátory jsou vždy externí pro integrovaný obvod, takže jejich typ a velikost lze zvolit podle rychlosti taktování a požadavků na zvlnění. Obvod může, ale nemusí být regulován.

Obrázek 3 ukazuje některé běžné konfigurace používané v nabíjecích čerpadlech IC. Spínače jsou MOSFETy – spínače S2 a S3 spínají společně, stejně jako S1 a S4. Spínače jsou řízeny vnitřním oscilátorem.

3. Běžné IC nabíjecí čerpadlo je konfigurováno s interními spínači MOSFET a externími kondenzátory a regulací (a). Znázorněn je napěťově invertující obvod IC nábojové pumpy (b).

Na obr. 3a je znázorněna klasická konfigurace napěťového dvojčinitele. Při zavřených S2 a S3 a otevřených S1 a S4 se „letící“ kondenzátor C1 nabíjí na vstupní napětí V ss. V další polovině cyklu se S2 a S3 otevřou, zatímco S1 a S4 jsou zavřené. C1 je zapojen do série se vstupním napětím a tato kombinace nabíjí C2. Na výstupu je napětí 2 V ss snížené o úbytky MOSFETu. Všimněte si zpětnovazebního děliče napětí, který zajišťuje regulaci.

Invertující verze je znázorněna na obr. 3b. Při zavřených S2 a S3 a otevřených S1 a S4 se „letící“ kondenzátor C1 nabíjí na vstupní napětí V ss. V další polovině cyklu se S1 a S3 otevřou, zatímco S2 a S4 jsou zavřené. C1 se vybije do C2. Při uzemněném horním konci C2 je na druhém konci výstupu -V ss.

Typické aplikace

Nabíjecí čerpadla jsou ideální pro konstrukce, které používají větší hlavní zdroj s jedním napětím, který dodává většinu výkonu, ale vyžaduje pomocné zdroje napětí s nižším proudem. Mnoho integrovaných obvodů a součástek dnes vyžaduje více napětí. Ta lze často generovat pomocí nábojové pumpy.

Klasickým příkladem je integrovaný obvod MAX232 s nábojovou pumpou, který generuje napájení ±3 až 25 V potřebné k napájení populárního linkového ovladače a přijímače sériového rozhraní RS-232 z 5V zdroje. Jiný příklad zahrnuje potřebu napájet transceiver USB z bateriového zdroje s nižším napětím. Dalším příkladem jsou zdroje pro předpětí TFT-LCD.

Některé mikroprocesory vyžadují pomocné napájení, stejně jako mnohé paměti EEPROM a flash. Většina z nich používá k zajištění těchto přídavných napětí nabíjecí čerpadla na čipu.

Výhody a nevýhody nabíjecích čerpadel

Nabíjecí čerpadlo má oproti ostatním hlavním typům stejnosměrných měničů a regulátorů některé klíčové výhody:

– Jednoduchost.

– Nízké náklady. Méně součástek. Žádný induktor.

– Menší prostor na desce plošných spojů. Žádný induktor. Menší výška.

– Vyšší účinnost než lineární. Odhadované zlepšení o 20 %.

– K dispozici v konfiguracích buck, boost a invertující.

– Více dodavatelů integrovaných obvodů.

Nic není ideální pro každý návrh, ale nevýhod nábojových čerpadel je jen několik:

– Nejlepší pro malé zátěže (

– Elektromagnetické rušení (EMI). Stále se jedná o spínací obvod, takže generuje určité EMI.

– Méně efektivní než návrhy založené na induktoru.

Porovnání alternativ

Při návrhu výrobku máte na výběr ze stejnosměrných měničů a regulátorů: nabíjecí čerpadlo, LDO a spínací obvody založené na induktoru. Tabulka shrnuje výhody a nevýhody každého z nich.

Poznámky k návrhu

Pro diskrétní návrhy jsou Schottkyho diody nutností pro rychlé spínání a nižší úbytky napětí (0,2 až 0,4 V). Pokud jde o kondenzátory, lze použít elektrolytické nebo tantalové pro spínání s nižší frekvencí. Jejich vysoký ekvivalentní sériový odpor (ESR) však snižuje účinnost obvodu.

Pro návrhy integrovaných obvodů jsou pro dosažení nejlepší účinnosti nezbytné keramické kondenzátory s nízkým ESR pro povrchovou montáž. Velikosti se liší podle rychlosti spínání. Elektrolytické nebo tantalové kondenzátory by se neměly používat kvůli jejich vysokému ESR. U některých integrovaných obvodů také může během provozu docházet k přepólování a mnohé způsobují poškození. Řiďte se doporučeními výrobce integrovaných obvodů.