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Une pompe de charge est un type de circuit d’alimentation à découpage (SMPS) utilisé comme convertisseur ou régulateur continu-continu avec une commande de rétroaction appropriée. La pompe de charge est souvent négligée lorsqu’on envisage une nouvelle conception nécessitant ces circuits. En raison de sa simplicité et d’autres avantages, la pompe de charge peut être un meilleur choix que l’utilisation d’un régulateur linéaire à faible chute (LDO) ou d’un régulateur à découpage utilisant une inductance. Dans votre prochaine conception, vous pouvez envisager ce circuit classique et ses avantages.

Les bases de la pompe de charge

Le circuit de pompe de charge de base est un convertisseur continu-continu à découpage qui est souvent nécessaire dans les conceptions nécessitant plus d’une tension d’alimentation continue. Il est composé de commutateurs et de condensateurs. Les commutateurs sont généralement des diodes dans les conceptions discrètes, mais aussi des MOSFET dans les versions IC. Les condensateurs sont électrolytiques ou céramiques, selon la vitesse de commutation. Il n’y a pas besoin d’une inductance.

1. La configuration de base du doubleur de tension est le circuit de pompe de charge le plus courant.

La figure 1 montre la pompe de charge de base qui est connectée comme un doubleur de tension. Le fonctionnement est un cycle de charge-décharge en deux étapes où le condensateur « volant » C1 se charge puis se décharge dans C2. Lorsque l’horloge pilote la sortie de l’inverseur 1 vers le bas, D1 est polarisé dans le sens direct, chargeant C1 à V dc. D2 est désactivé à ce moment-là. Puis l’horloge pilote la sortie de l’onduleur 1 à l’état haut à V dc.

La figure 2 montre quelques exemples de pompes de charge discrètes utilisant le populaire circuit intégré de temporisation 555. La figure 2a est un doubleur de tension. Le timer 555 fonctionne comme un multivibrateur astable avec une fréquence fixée par R1, R2 et C1. L’onde rectangulaire de sortie sur la broche 3 passe de +5 V à la masse. Lorsque la broche 3 est basse, C3 se charge à travers D1 jusqu’à +5 V. Lorsque la broche 3 passe à +5 V, D2 est conductrice, connectant le +5 V du timer en série avec le +5 V de C1, chargeant ainsi C4. La sortie est de +10 V, moins les chutes de la diode. La charge sur C1 est maintenant en série avec le V dc de l’onduleur 1. La sortie de l’onduleur 2 est faible, donc D2 est polarisé dans le sens direct et C2 se charge à 2 V dc. La sortie aux bornes de la charge est de 2 V dc, moins les chutes en direct de la diode et les pertes éventuelles dans les onduleurs. Les diodes Schottky sont préférées en raison de leurs faibles chutes de tension directe et de leurs vitesses de commutation élevées. Les vitesses d’horloge peuvent se situer entre 10 kHz et 2 MHz. Si plus de segments de diodes et de condensateurs sont ajoutés, la tension peut tripler ou quadrupler (ou même plus).

2. Le populaire circuit intégré de minuterie 555 peut être connecté comme un doubleur de tension (a), ou un inverseur de tension (b).

La pompe de charge peut être configurée comme un inverseur de tension, comme on le voit sur la figure 2b. Avec la broche 3, le condensateur C3 +5-V se charge à travers D1. Lorsque la broche 3 passe à la masse, D2 est polarisé dans le sens direct et C3 se décharge dans C4. Ici, l’alimentation de +5 V est convertie en une sortie d’environ -5 V, moins les chutes de la diode. Un tel circuit inverseur est utile lorsqu’on a besoin d’une alimentation négative. Un exemple est lorsque des alimentations plus et moins sont nécessaires pour un amplificateur opérationnel.

Toutes les pompes de charge sont un mélange de commutateurs et de condensateurs. La plupart des pompes de charge intégrées utilisent des commutateurs MOSFET avec une faible résistance à l’enclenchement et une horloge intégrée. Les condensateurs sont toujours externes au circuit intégré afin que le type et la taille puissent être sélectionnés en fonction de la vitesse de l’horloge et des exigences d’ondulation. Le circuit peut être régulé ou non.

La figure 3 montre quelques configurations courantes utilisées dans les pompes de charge de CI. Les commutateurs sont des MOSFETs – les commutateurs S2 et S3 commutent ensemble, ainsi que S1 et S4. L’oscillateur interne pilote les commutateurs.

3. Une pompe de charge IC commune est configurée avec des commutateurs MOSFET internes et des condensateurs et une régulation externes (a). Montré est un circuit IC de pompe de charge inverseur de tension (b).

Fig. 3a montre la configuration classique de doubleur de tension. Avec S2 et S3 fermés et S1 et S4 ouverts, le condensateur « volant » C1 se charge à la tension d’entrée V dc. Sur la moitié suivante du cycle, S2 et S3 s’ouvrent tandis que S1 et S4 sont fermés. C1 est connecté en série avec la tension d’entrée, et la combinaison charge C2. La sortie est de 2 V dc, moins les chutes du MOSFET. Notez le diviseur de tension de rétroaction qui assure la régulation.

Une version inversée est représentée sur la figure 3b. Avec S2 et S3 fermés et S1 et S4 ouverts, le condensateur « volant » C1 se charge à la tension d’entrée V dc. Sur la moitié suivante du cycle, S1 et S3 s’ouvrent tandis que S2 et S4 sont fermés. C1 se décharge dans C2. Avec l’extrémité supérieure de C2 mise à la terre, la sortie à l’autre extrémité est -V dc.

Applications typiques

Les pompes de charge sont idéales pour les conceptions qui utilisent une plus grande alimentation principale à tension unique qui fournit la majeure partie de la puissance, mais qui nécessite des sources de tension auxiliaires à plus faible courant. Aujourd’hui, de nombreux circuits intégrés et composants nécessitent des tensions multiples. Celles-ci peuvent souvent être générées à l’aide d’une pompe de charge.

Un exemple classique est le circuit intégré de pompe de charge MAX232 qui a généré les alimentations de ±3- à 25-V nécessaires pour alimenter les circuits intégrés pilotes et récepteurs de ligne de l’interface série RS-232 populaire à partir d’une alimentation de 5-V. Un autre exemple concerne la nécessité d’alimenter un émetteur-récepteur USB à partir d’une alimentation de batterie à faible tension. Les alimentations de polarisation des TFT-LCD représentent un autre exemple.

Certains microprocesseurs nécessitent une alimentation auxiliaire, tout comme de nombreuses EEPROM et mémoires flash. La plupart d’entre eux utilisent des pompes de charge sur puce pour fournir ces tensions supplémentaires.

Les avantages et les inconvénients des pompes de charge

Une pompe de charge détient quelques avantages clés par rapport aux autres principaux types de convertisseurs et de régulateurs dc-dc :

– Simplicité.

– Faible coût. Moins de composants. Pas d’inducteur.

– Plus petit espace sur le circuit imprimé. Pas d’inducteur. Moins de hauteur.

– Rendement supérieur au linéaire. Amélioration estimée à 20%.

– Disponible en configuration buck, boost et inverseur.

– Plusieurs vendeurs de circuits intégrés.

Rien n’est parfait pour chaque conception mais les inconvénients des pompes de charge sont peu nombreux :

– Meilleur pour les petites charges (

– Interférence électromagnétique (EMI). Il s’agit toujours d’un circuit à mode de commutation, donc il génère certaines IEM.

– Moins efficace que les conceptions à base d’inductance.

Comparaison des alternatives

Lors de la conception d’un produit, vos choix de convertisseur et de régulateur cc-dc sont la pompe de charge, les LDO et les circuits à mode de commutation à base d’inductance. Le tableau résume les avantages et les inconvénients de chacun.

Design Notes

Pour les conceptions discrètes, les diodes Schottky sont un must pour une commutation rapide et des chutes de tension plus faibles (0,2 à 0,4 V). En termes de condensateurs, les électrolytiques ou le tantale peuvent être utilisés pour une commutation à basse fréquence. Cependant, leur résistance série équivalente (ESR) élevée rend le circuit moins efficace.

Pour les conceptions de circuits intégrés, les condensateurs céramiques montés en surface à faible ESR sont essentiels pour une meilleure efficacité. Les tailles varient en fonction des vitesses de commutation. Les électrolytiques ou les tantales ne doivent pas être utilisés en raison de leur ESR élevé. Certains circuits intégrés peuvent également provoquer une inversion de polarité en cours de fonctionnement et peuvent causer des dommages. Suivez les recommandations du fabricant du circuit intégré.