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Eine Ladungspumpe ist ein Schaltkreis für ein Schaltnetzteil (SMPS), der als Gleichspannungswandler oder -regler mit entsprechender Rückkopplungssteuerung verwendet wird. Die Ladungspumpe wird oft übersehen, wenn man ein neues Design in Betracht zieht, das diese Schaltungen erfordert. Aufgrund ihrer Einfachheit und anderer Vorteile kann die Ladungspumpe die bessere Wahl sein als ein linearer Low-Dropout (LDO)-Regler oder ein Schaltregler mit einer Spule. Bei Ihrem nächsten Entwurf sollten Sie diese klassische Schaltung und ihre Vorteile in Betracht ziehen.

Grundlagen der Ladungspumpe

Die Grundschaltung der Ladungspumpe ist ein Gleichspannungswandler im Schaltmodus, der häufig in Entwürfen benötigt wird, die mehr als eine Gleichspannungsversorgung benötigen. Er setzt sich aus Schaltern und Kondensatoren zusammen. Bei den Schaltern handelt es sich in der Regel um Dioden in diskreten Ausführungen, aber auch um MOSFETs in IC-Versionen. Bei den Kondensatoren handelt es sich je nach Schaltgeschwindigkeit um Elektrolyt- oder Keramikkondensatoren. Eine Induktivität ist nicht erforderlich.

1. Die grundlegende Spannungsverdoppler-Konfiguration ist die häufigste Ladungspumpenschaltung.

Abbildung 1 zeigt die grundlegende Ladungspumpe, die als Spannungsverdoppler angeschlossen ist. Es handelt sich um einen zweistufigen Lade-Entlade-Zyklus, bei dem sich der „fliegende“ Kondensator C1 auflädt und dann in C2 entlädt. Wenn der Taktgeber den Ausgang von Inverter 1 auf einen niedrigen Wert steuert, wird D1 in Durchlassrichtung vorgespannt und lädt C1 auf V dc. D2 ist zu diesem Zeitpunkt ausgeschaltet. Dann treibt der Taktgeber den Ausgang von Wechselrichter 1 hoch auf V dc.

Abbildung 2 zeigt einige Beispiele für diskrete Ladungspumpen unter Verwendung des beliebten 555 Timer-IC. Abbildung 2a ist ein Spannungsverdoppler. Der 555 Timer arbeitet als astabiler Multivibrator mit einer durch R1, R2 und C1 eingestellten Frequenz. Der Rechteckwellenausgang an Pin 3 schaltet von +5 V auf nahezu Masse. Wenn Pin 3 niedrig ist, lädt sich C3 über D1 auf +5 V auf. Wenn Pin 3 auf +5 V geht, leitet D2 und verbindet die +5 V vom Timer in Reihe mit den +5 V an C1, wodurch C4 aufgeladen wird. Der Ausgang beträgt +10 V, abzüglich der Diodenabfälle; die Ladung an C1 liegt nun in Reihe mit den Gleichspannungen von Wechselrichter 1. Der Ausgang von Wechselrichter 2 ist niedrig, so dass D2 in Durchlassrichtung vorgespannt ist und C2 sich auf 2 V Gleichstrom auflädt. Das Ausgangssignal an der Last beträgt 2 V dc, abzüglich der Durchlassverluste der Dioden und etwaiger Verluste in den Wechselrichtern. Schottky-Dioden werden wegen der geringeren Durchlassspannungsabfälle und der hohen Schaltgeschwindigkeit bevorzugt. Die Taktgeschwindigkeiten können im Bereich von 10 kHz bis 2 MHz liegen. Wenn mehr Dioden- und Kondensatorsegmente hinzugefügt werden, kann sich die Spannung verdrei- oder vervierfachen (oder noch höher).

2. Der beliebte 555-Timer-IC kann als Spannungsverdoppler (a) oder als Spannungsinverter (b) angeschlossen werden.

Die Ladungspumpe kann als Spannungsinverter konfiguriert werden, wie in Abbildung 2b zu sehen. Bei Pin 3 lädt sich der +5-V-Kondensator C3 über D1 auf. Wenn Pin 3 auf Masse geht, wird D2 in Durchlassrichtung vorgespannt und C3 entlädt sich in C4. Hier wird die +5-V-Versorgung in einen Ausgang von etwa -5 V umgewandelt, abzüglich der Diodenabfälle. Eine solche Inverterschaltung ist nützlich, wenn eine negative Versorgung erforderlich ist. Ein Beispiel ist, wenn Plus- und Minus-Versorgung für einen Operationsverstärker benötigt werden.

Alle Ladungspumpen sind eine Mischung aus Schaltern und Kondensatoren. Die meisten integrierten Ladungspumpen verwenden MOSFET-Schalter mit niedrigem Durchlasswiderstand und einem integrierten Taktgeber. Die Kondensatoren befinden sich immer außerhalb des ICs, so dass der Typ und die Größe entsprechend der Taktfrequenz und den Anforderungen an die Restwelligkeit gewählt werden können. Die Schaltung kann geregelt oder ungeregelt sein.

Abbildung 3 zeigt einige übliche Konfigurationen, die in IC-Ladepumpen verwendet werden. Die Schalter sind MOSFETs – die Schalter S2 und S3 schalten zusammen, ebenso S1 und S4. Der interne Oszillator treibt die Schalter an.

3. Eine übliche IC-Ladungspumpe ist mit internen MOSFET-Schaltern und externen Kondensatoren und Regelung konfiguriert (a). Die Abbildung zeigt eine IC-Ladungspumpenschaltung mit invertierender Spannung (b).

Abbildung 3a zeigt die klassische Spannungsverdoppler-Konfiguration. Wenn S2 und S3 geschlossen und S1 und S4 geöffnet sind, lädt sich der „fliegende“ Kondensator C1 auf die Eingangsspannung V dc auf. In der nächsten Hälfte des Zyklus öffnen S2 und S3, während S1 und S4 geschlossen sind. C1 ist mit der Eingangsspannung in Reihe geschaltet, und die Kombination lädt C2 auf. Der Ausgang beträgt 2 V Gleichspannung, abzüglich der MOSFET-Ableitungen. Man beachte den Rückkopplungsspannungsteiler, der für die Regelung sorgt.

Eine invertierende Version ist in Abb. 3b dargestellt. Wenn S2 und S3 geschlossen und S1 und S4 geöffnet sind, lädt sich der „fliegende“ Kondensator C1 auf die Eingangsspannung V dc auf. In der nächsten Hälfte des Zyklus öffnen S1 und S3, während S2 und S4 geschlossen sind. C1 entlädt sich in C2. Da das obere Ende von C2 geerdet ist, ist der Ausgang am anderen Ende -V dc.

Typische Anwendungen

Ladepumpen sind ideal für Designs, die ein größeres Hauptnetzteil mit einer einzigen Spannung verwenden, das den größten Teil der Leistung liefert, aber Hilfsspannungsquellen mit niedrigerem Strom benötigt. Viele ICs und Komponenten benötigen heute mehrere Spannungen. Diese können oft mit einer Ladungspumpe erzeugt werden.

Ein klassisches Beispiel ist der MAX232-Ladungspumpen-IC, der die ±3- bis 25-V-Versorgungen erzeugt, die zur Versorgung der beliebten seriellen RS-232-Schnittstellen-Leitungstreiber und -Empfänger-ICs aus einer 5-V-Versorgung erforderlich sind. Ein weiteres Beispiel ist die Notwendigkeit, einen USB-Transceiver aus einer Batteriespannung mit geringerer Spannung zu versorgen. Ein weiteres Beispiel sind TFT-LCD-Vorspannungsversorgungen.

Einige Mikroprozessoren benötigen eine zusätzliche Versorgung, ebenso wie viele EEPROMs und Flash-Speicher. Die meisten verwenden On-Chip-Ladungspumpen, um diese zusätzlichen Spannungen bereitzustellen.

Die Vor- und Nachteile von Ladungspumpen

Eine Ladungspumpe bietet einige wichtige Vorteile gegenüber anderen wichtigen Arten von Gleichspannungswandlern und -reglern:

– Einfachheit.

– Niedrige Kosten. Weniger Komponenten. Keine Drosselspule.

– Geringerer Platz auf der Leiterplatte. Keine Spule. Weniger Höhe.

– Höherer Wirkungsgrad als linear. Geschätzte Verbesserung um 20 %.

– Erhältlich in Abwärts-, Aufwärts- und Invertierungskonfigurationen.

– Mehrere IC-Anbieter.

Nichts ist perfekt für jedes Design, aber die Nachteile von Ladungspumpen sind gering:

– Am besten für kleine Lasten geeignet (

– Elektromagnetische Störungen (EMI). Es handelt sich immer noch um einen Schaltkreis, der eine gewisse elektromagnetische Interferenz erzeugt.

– Weniger effizient als induktorbasierte Designs.

Vergleich der Alternativen

Bei der Entwicklung eines Produkts haben Sie die Wahl zwischen Gleichspannungswandlern und -reglern in Form von Ladungspumpen, LDO und induktorbasierten Schaltkreisen. Die Tabelle fasst die Vor- und Nachteile der einzelnen Varianten zusammen.

Design Notes

Für diskrete Designs sind Schottky-Dioden ein Muss, da sie schnell schalten und geringe Spannungsabfälle (0,2 bis 0,4 V) aufweisen. Bei den Kondensatoren können Elektrolyt- oder Tantalkondensatoren für Schaltvorgänge mit niedrigeren Frequenzen verwendet werden. Ihr hoher äquivalenter Serienwiderstand (ESR) macht die Schaltung jedoch weniger effizient.

Für IC-Designs sind oberflächenmontierte Keramikkondensatoren mit niedrigem ESR-Wert für einen optimalen Wirkungsgrad unerlässlich. Die Größe hängt von der Schaltgeschwindigkeit ab. Elektrolytkondensatoren oder Tantal-Kondensatoren sollten wegen ihres hohen ESR-Wertes nicht verwendet werden. Bei einigen ICs kann es während des Betriebs zu einer Verpolung kommen, was zu Schäden führen kann. Beachten Sie die Empfehlungen des IC-Herstellers.