Lataa tämä artikkeli .PDF-muodossa

Latauspumppu on eräänlainen kytkinmoodivirtapiiri (SMPS), jota käytetään dc-dc-muuntimena tai säätimenä asianmukaisella takaisinkytkennällä. Varauspumppu jätetään usein huomiotta, kun harkitaan uutta suunnittelua, joka edellyttää näitä piirejä. Yksinkertaisuutensa ja muiden etujensa vuoksi latauspumppu voi olla parempi valinta kuin low-dropout (LDO) lineaarisen säätimen tai induktoria käyttävän kytkinmoodisäätimen käyttö. Seuraavassa suunnittelussasi kannattaa ehkä harkita tätä klassista piiriä ja sen etuja.

Latauspumpun perusteet

Latauspumpun peruspiiri on kytkentätoiminen tasasähkömuunnin, jota tarvitaan usein suunnittelussa, jossa tarvitaan useampaa kuin yhtä tasajännitettä. Se koostuu kytkimistä ja kondensaattoreista. Kytkimet ovat yleensä diodeja erillisissä malleissa, mutta myös MOSFET:ejä IC-versioissa. Kondensaattorit ovat elektrolyyttejä tai keraamisia kytkentänopeudesta riippuen. Induktoria ei tarvita.

1. Jännitteen kaksinkertaistajan peruskokoonpano on yleisin latauspumppupiiri.

Kuvassa 1 on esitetty jännitteen kaksinkertaistajaksi kytketty peruslatauspumppu. Toiminta on kaksivaiheinen lataus-purkaussykli, jossa ”lentävä” kondensaattori C1 latautuu ja purkautuu sitten C2:een. Kun kello ohjaa invertteri 1:n ulostuloa matalaksi, D1:tä ohjataan eteenpäin, jolloin C1 latautuu V dc:hen. D2 on tällä hetkellä pois päältä. Sitten kello ohjaa invertteri 1:n ulostulon korkealle V dc:hen.

Kuvassa 2 on joitakin esimerkkejä diskreeteistä latauspumpuista, joissa käytetään suosittua 555-ajastin IC:tä. Kuva 2a on jännitteen kaksinkertaistaja. 555-ajastin toimii astabiilina multivibraattorina, jonka taajuus on asetettu R1, R2 ja C1. Nastassa 3 oleva suorakulmainen aaltolähtö vaihtuu +5 V:sta lähes maahan. Kun nasta 3 on alhaalla, C3 latautuu D1:n kautta +5 V:iin. Kun nasta 3 menee +5 V:iin, D2 johtaa, jolloin ajastimen +5 V kytkeytyy sarjaan C1:n +5 V:n kanssa, jolloin C4 latautuu. Lähtöjännite on +10 V, josta on vähennetty diodin pudotukset.C1:n varaus on nyt sarjassa invertteristä 1 tulevan V dc:n kanssa. Invertterin 2 ulostulo on matala, joten D2 on eteenpäin kytketty ja C2 latautuu 2 V dc:hen. Lähtö kuorman yli on 2 V dc, josta on vähennetty diodien menovirtahäviöt ja mahdolliset inverttereiden häviöt. Schottky-diodit ovat suositeltavampia pienempien menojännitehäviöiden ja suurten kytkentänopeuksien vuoksi. Kellotaajuudet voivat olla 10 kHz:n ja 2 MHz:n välillä. Jos diodi- ja kondensaattorisegmenttejä lisätään lisää, jännite voi kolminkertaistua tai nelinkertaistua (tai jopa kasvaa).

2. Suosittu 555-ajastin IC voidaan kytkeä jännitteen kaksinkertaistajaksi (a) tai jännitteen invertteriksi (b).

Latauspumppu voidaan konfiguroida jännitteen invertteriksi, kuten kuvassa 2b näkyy. Nastalla 3 +5-V C3-kondensaattori latautuu D1:n kautta. Kun nasta 3 menee maahan, D2 on eteenpäin jännitetty ja C3 purkautuu C4:ään. Tällöin +5 V:n syöttö muunnetaan noin -5 V:n lähdöksi, josta on vähennetty diodin pudotukset. Tällainen invertteri piiri on hyödyllinen, kun tarvitaan negatiivista syöttöä. Esimerkki on, kun plus- ja miinus-toimituksia tarvitaan op-vahvistimelle.

Kaikki latauspumput ovat jonkinlainen sekoitus kytkimiä ja kondensaattoreita. Useimmat integroidut latauspumput käyttävät MOSFET-kytkimiä, joilla on alhainen päälle kytkentävastus ja integroitu kello. Kondensaattorit ovat aina IC:n ulkopuolella, jotta tyyppi ja koko voidaan valita kellonopeuden ja ripple-vaatimusten mukaan. Piiriä voidaan säätää tai olla säätämättä.

Kuvassa 3 on esitetty joitakin yleisiä IC-varauspumpuissa käytettyjä kokoonpanoja. Kytkimet ovat MOSFET-kytkimet S2 ja S3 kytkeytyvät yhdessä, samoin S1 ja S4. Sisäinen oskillaattori ohjaa kytkimiä.

3. Yleinen IC-varauspumppu on konfiguroitu sisäisillä MOSFET-kytkimillä ja ulkoisilla kondensaattoreilla ja säätelyllä varustetulla IC-varauspumppukokoonpanolla (a). Kuvassa on jännitettä invertoiva IC-varauspumpun piiri (b).

Kuvassa 3a on klassinen jännite-doubler-konfiguraatio. Kun S2 ja S3 ovat kiinni ja S1 ja S4 auki, ”lentävä” kondensaattori C1 latautuu tulojännitteeseen V dc. Syklin seuraavalla puoliskolla S2 ja S3 avautuvat S1:n ja S4:n ollessa kiinni. C1 kytketään sarjaan tulojännitteen kanssa, ja yhdistelmä lataa C2:n. Lähtö on 2 V dc, josta on vähennetty MOSFETin pudotukset. Huomaa takaisinkytkentäjännitteen jakaja, joka huolehtii säädöstä.

Kuvassa 3b on esitetty invertoiva versio. Kun S2 ja S3 ovat kiinni ja S1 ja S4 auki, ”lentävä” kondensaattori C1 latautuu tulojännitteeseen V dc. Syklin seuraavalla puoliskolla S1 ja S3 avautuvat, kun taas S2 ja S4 ovat kiinni. C1 purkautuu C2:een. Kun C2:n yläpää on maadoitettu, ulostulo toisessa päässä on -V dc.

Tyypillisiä sovelluksia

Latauspumput sopivat erinomaisesti malleihin, joissa käytetään suurempaa, pääasiallista yksijännitteistä virtalähdettä, joka syöttää suurimman osan tehosta, mutta tarvitsee pienempivirtaisia apujännitelähteitä. Nykyään monet IC:t ja komponentit vaativat useita jännitteitä. Nämä voidaan usein tuottaa latauspumpulla.

Klassinen esimerkki on MAX232 latauspumppu IC, joka tuotti ±3-25 V:n syötöt, joita tarvittiin suosittujen RS-232-sarjaliitännän linja-ajuri- ja vastaanotin-IC:iden virransyöttöön 5 V:n syötöstä. Toinen esimerkki liittyy tarpeeseen syöttää USB-lähetinvastaanottimelle virtaa matalamman jännitteen paristosyötöstä. TFT-LCD-levyjen bias-toimitukset ovat yksi esimerkki lisää.

Jotkut mikroprosessorit vaativat lisäsyötön, samoin kuin monet EEPROMit ja flash-muistit. Useimmat käyttävät piirin sisäisiä latauspumppuja näiden lisäjännitteiden tuottamiseen.

Latauspumppujen edut ja haitat

Latauspumpulla on joitakin keskeisiä etuja muihin tärkeimpiin tasavirtamuuntimiin ja säätimiin verrattuna:

– Yksinkertaisuus.

– Alhaiset kustannukset. Vähemmän komponentteja. Ei induktoria.

– Pienempi piirilevytila. Ei induktoria. Pienempi korkeus.

– Suurempi hyötysuhde kuin lineaarinen. Arvioitu 20 % parannus.

– Saatavana buck-, boost- ja invertoivina konfiguraatioina.

– Useita IC-toimittajia.

– Mikään ei ole täydellistä jokaiseen suunnitteluun, mutta latauspumppujen haittoja on muutama:

– Parhaiten pienille kuormille (

– Sähkömagneettiset häiriöt (EMI). Kyseessä on edelleen kytkentätilapiiri, joten se tuottaa jonkin verran EMI:tä.

– Huonompi hyötysuhde kuin induktoripohjaisissa malleissa.

Vaihtoehtojen vertailu

Tuotetta suunniteltaessa dc-dc-muuntimen ja säätimen vaihtoehdot ovat latauspumppu, LDO ja induktoripohjaiset kytkentätilapiirit. Taulukkoon on koottu kunkin edut ja haitat.

Suunnitteluhuomautukset

Diskreettisissä malleissa Schottky-diodit ovat välttämättömiä nopean kytkennän ja pienempien jännitehäviöiden (0,2-0,4 V) vuoksi. Kondensaattoreina voidaan käyttää elektrolyyttisiä tai tantaalisia kondensaattoreita matalamman taajuuden kytkentään. Niiden korkea ekvivalenttinen sarjavastus (ESR) heikentää kuitenkin piirin tehokkuutta.

IC-suunnittelussa alhaisen ESR:n omaavat pinta-asennettavat keraamiset kondensaattorit ovat välttämättömiä parhaan hyötysuhteen saavuttamiseksi. Koot vaihtelevat kytkentänopeuksien mukaan. Elektrolyyttejä tai tantaaleja ei tulisi käyttää niiden korkean ESR:n vuoksi. Jotkin IC:t voivat myös aiheuttaa napaisuuden kääntymisen käytön aikana, ja monet niistä aiheuttavat vahinkoa. Noudata IC-valmistajan suosituksia.