Download denne artikel i .PDF-format

En ladningspumpe er en type switch-mode strømforsyningskredsløb (SMPS), der bruges som en jævnstrømsomformer eller regulator med passende feedback-kontrol. Ladningspumpen bliver ofte overset, når man overvejer et nyt design, der kræver disse kredsløb. På grund af sin enkelhed og andre fordele kan ladningspumpen være et bedre valg end brugen af en lineær regulator med lavt udfald (LDO) eller en switch-mode-regulator med en induktor. I dit næste design bør du måske overveje dette klassiske kredsløb og dets fordele.

Ladningspumpens grundprincipper

Det grundlæggende ladningspumpekredsløb er en switch-mode dc-dc-konverter, der ofte er nødvendig i designs, der kræver mere end én dc-forsyningsspænding. Den består af afbrydere og kondensatorer. Afbryderne er normalt dioder i diskrete konstruktioner, men er også MOSFET’er i IC-versioner. Kondensatorerne er elektrolytiske eller keramiske kondensatorer, afhængigt af skiftehastigheden. Der er ikke behov for en induktor.

1. Den grundlæggende spændingsfordoblerkonfiguration er det mest almindelige ladningspumpekredsløb.

Figur 1 viser den grundlæggende ladningspumpe, der er tilsluttet som en spændingsfordobler. Driften er en totrins opladnings- og afladningscyklus, hvor “flyvende” kondensator C1 oplades og derefter aflades i C2. Når uret driver udgangen af inverter 1 lavt, er D1 forward-biased, hvilket oplader C1 til V dc. D2 er slukket på dette tidspunkt. Herefter driver uret udgangen af inverter 1 højt til V dc.

Figur 2 viser nogle eksempler på diskrete ladningspumper ved hjælp af det populære 555-timer-IC. Figur 2a er en spændingsfordobler. 555-timeren fungerer som en astabil multivibrator med en frekvens, der er indstillet af R1, R2 og C1. Den rektangulære bølgeudgang på pin 3 skifter fra +5 V til næsten jord. Når pin 3 er lavt, oplades C3 gennem D1 til +5 V. Når pin 3 går til +5 V, ledes D2, hvorved +5 V fra timeren forbindes i serie med +5 V på C1, hvorved C4 oplades. Udgangen er +10 V, minus diodefaldet. ladningen på C1 er nu i serie med V dc fra inverter 1. Udgangen fra inverter 2 er lav, så D2 er forward-biased, og C2 oplades til 2 V dc. Udgangen over belastningen er 2 V dc, minus diodens fremadrettede dråber og eventuelle tab i inverterne. Schottky-dioder foretrækkes på grund af de lavere fremadrettede spændingsfald og de høje koblingshastigheder. Urhastighederne kan ligge i intervallet 10 kHz til 2 MHz. Hvis der tilføjes flere diode- og kondensatorsegmenter, kan spændingen tredobles eller firdobles (eller endnu højere).

2. Det populære 555-timer-IC kan tilsluttes som en spændingsfordobler (a) eller en spændingsinverter (b).

Ladningspumpen kan konfigureres som en spændingsinverter, som det ses i figur 2b. Med pin 3 oplades +5-V C3-kondensatoren +5-V C3-kondensatoren gennem D1. Når pin 3 går til jord, er D2 forward-biased, og C3 aflades i C4. Her omdannes +5-V-forsyningen til en udgang på ca. -5 V, minus diodefaldet. Et sådant inverterkredsløb er nyttigt, når der er behov for en negativ forsyning. Et eksempel er, når der er brug for plus- og minusforsyninger til en op-forstærker.

Alle ladningspumper er en eller anden blanding af switche og kondensatorer. De fleste integrerede ladningspumper bruger MOSFET-switche med en lav on-modstand og et integreret ur. Kondensatorerne er altid eksterne i forhold til IC’en, således at type og størrelse kan vælges i overensstemmelse med clockhastigheden og ripple-kravene. Kredsløbet kan være reguleret eller ej.

Figur 3 viser nogle almindelige konfigurationer, der anvendes i IC-ladningspumper. Afbryderne er MOSFET’er – afbryderne S2 og S3 skifter sammen, og det samme gør S1 og S4. Den interne oscillator driver kontakterne.

3. En almindelig IC-ladningspumpe er konfigureret med interne MOSFET-switche og eksterne kondensatorer og regulering (a). Vist er et spændingsinverterende ladningspumpe-IC-kredsløb (b).

Figur 3a viser den klassiske spændingsdoblerkonfiguration. Med S2 og S3 lukkede og S1 og S4 åbne oplades den “flyvende” kondensator C1 til indgangsspændingen V dc. På den næste halvdel af cyklussen åbner S2 og S3, mens S1 og S4 er lukkede. C1 er forbundet i serie med indgangsspændingen, og kombinationen oplader C2. Udgangen er 2 V dc, minus MOSFET-dråberne. Bemærk den tilbagekoblede spændingsdeler, der sørger for reguleringen.

En inverterende version er vist i fig. 3b. Med S2 og S3 lukkede og S1 og S4 åbne oplades den “flyvende” kondensator C1 til indgangsspændingen V dc. På den næste halvdel af cyklusen åbner S1 og S3, mens S2 og S4 er lukkede. C1 aflades til C2. Med den øverste ende af C2 jordet er udgangen i den anden ende -V dc.

Typiske anvendelser

Ladepumper er ideelle til konstruktioner, der anvender en større hovedstrømforsyning med enkeltspænding, som leverer det meste af strømmen, men som kræver hjælpespændingskilder med lavere strømstyrke. I dag kræver mange IC’er og komponenter flere spændinger. Disse kan ofte genereres med en ladningspumpe.

Et klassisk eksempel er MAX232-ladningspumpe-IC’en, der genererede de ±3- til 25-V-forsyninger, der er nødvendige for at forsyne de populære RS-232-linjedrivere og -modtager-IC’er med seriel grænseflade fra en 5-V-forsyning. Et andet eksempel omfatter behovet for at forsyne en USB-transceiver fra en batteriforsyning med lavere spænding. TFT-LCD-forspændingsforsyninger udgør endnu et eksempel.

Som mange EEPROM’er og flashhukommelser kræver nogle mikroprocessorer en ekstra forsyning. De fleste bruger ladningspumper på chippen til at levere disse ekstra spændinger.

Fordele og ulemper ved ladningspumper

En ladningspumpe har nogle vigtige fordele i forhold til andre større typer af dc-dc-konvertere og regulatorer:

– Enkelhed.

– Lave omkostninger. Færre komponenter. Ingen induktor.

– Mindre PCB-plads. Ingen induktor. Mindre højde.

– Højere virkningsgrad end lineær. Anslået forbedring på 20 %.

– Fås i buck-, boost- og inverterende konfigurationer.

– Flere IC-leverandører.

Ingen er perfekt til ethvert design, men ulemperne ved ladningspumper er få:

– Bedst til små belastninger (

– Elektromagnetisk interferens (EMI). Det er stadig et switch-mode-kredsløb, så det genererer noget EMI.

– Mindre effektivt end induktorbaserede designs.

Sammenligning af alternativerne

Når du designer et produkt, er dine valgmuligheder for dc-dc-konvertere og regulatorer ladningspumpe, LDO og induktorbaserede switch-mode-kredsløb. Tabellen opsummerer fordele og ulemper ved hver af dem.

Design Notes

For diskrete designs er Schottky dioder et must for hurtig omskiftning og lavere spændingsfald (0,2 til 0,4 V). Med hensyn til kondensatorer kan elektrolytisk eller tantal anvendes til kobling ved lavere frekvens. Deres høje ækvivalente seriemodstand (ESR) gør dog kredsløbet mindre effektivt.

For IC-designs er keramiske kondensatorer med lav ESR-værdi til overflademontering af keramiske kondensatorer afgørende for at opnå den bedste effektivitet. Størrelserne varierer med koblingshastighederne. Elektrolytiske kondensatorer eller tantalkondensatorer bør ikke anvendes på grund af deres høje ESR. Nogle IC’er kan også forårsage omvendt polaritet under drift, og mange kan forårsage skade. Følg anbefalingerne fra IC-producenten.