Töltse le ezt a cikket .PDF formátumban

A töltőszivattyú a kapcsolóüzemű tápegység (SMPS) egy olyan áramköre, amelyet megfelelő visszacsatolású vezérléssel dc-dc átalakítóként vagy szabályozóként használnak. A töltőszivattyút gyakran figyelmen kívül hagyják, amikor egy új, ezeket az áramköröket igénylő tervezést fontolgatnak. Egyszerűsége és egyéb előnyei miatt a töltőszivattyú jobb választás lehet egy alacsony kiesésű (LDO) lineáris szabályozó vagy egy induktort használó kapcsolóüzemű szabályozó alkalmazásával szemben. A következő tervezése során érdemes megfontolni ezt a klasszikus áramkört és annak előnyeit.

Feltöltőszivattyú alapjai

Az alapvető töltőszivattyú áramkör egy kapcsolóüzemű egyenáramú egyenáramú átalakító, amelyre gyakran van szükség az egynél több egyenáramú tápfeszültséget igénylő tervekben. Kapcsolókból és kondenzátorokból áll. A kapcsolók általában diódák a diszkrét kivitelekben, de az IC-változatokban MOSFET-ek is lehetnek. A kondenzátorok a kapcsolási sebességtől függően elektrolitok vagy kerámiák. Induktorra nincs szükség.

1. Az alapvető feszültségduplázó konfiguráció a leggyakoribb töltőszivattyú áramkör.

Az 1. ábra az alapvető töltőszivattyút mutatja, amely feszültségduplázóként van bekötve. A működés egy kétlépcsős töltési-kisütési ciklus, ahol a “repülő” C1 kondenzátor feltöltődik, majd kisül a C2-be. Amikor az óra az 1. inverter kimenetét alacsonyra hajtja, a D1 előrefelé előfeszített, C1-et V egyenfeszültségre töltve. A D2 ebben az időben ki van kapcsolva. Ezután az óra az inverter 1 kimenetét magasra, V dc-re hajtja.

A 2. ábra néhány példát mutat a népszerű 555-ös időzítő IC-t használó diszkrét töltőszivattyúkra. A 2a ábra egy feszültségduplázó. Az 555-ös időzítő asztabil multivibrátorként működik, amelynek frekvenciáját az R1, R2 és C1 állítja be. A 3. csapon lévő négyszögletes hullám kimenet +5 V-ról a föld közelébe kapcsol. Amikor a 3. tű alacsony, a C3 a D1-en keresztül töltődik fel +5 V-ra. Amikor a 3. tű +5 V-ra megy, a D2 vezet, és az időzítőből származó +5 V-ot sorba kapcsolja a C1-en lévő +5 V-val, ezáltal töltve a C4-et. A kimenet +10 V, csökkentve a dióda leesésével. a C1-en lévő töltés most sorban van az 1. inverterből származó V egyenfeszültséggel. Az inverter 2 kimenete alacsony, így a D2 előrefelé előfeszített, és a C2 2 V egyenfeszültségre töltődik. A terhelésen keresztüli kimenet 2 V egyenáramú, csökkentve a dióda előremenő cseppjeivel és az inverterek esetleges veszteségeivel. A Schottky-diódákat előnyben részesítik az alacsonyabb előremenő feszültségesés és a nagy kapcsolási sebesség miatt. Az órajelek sebessége bárhol lehet a 10 kHz és 2 MHz közötti tartományban. Ha több dióda- és kondenzátorszegmenset adunk hozzá, a feszültség megháromszorozódhat vagy megnégyszereződhet (vagy még magasabb is lehet).

2. A népszerű 555-ös időzítő IC feszültségduplázóként (a), vagy feszültséginverterként (b) kapcsolható.

A töltőszivattyú feszültséginverterként is konfigurálható, ahogy a 2b. ábrán látható. A 3. tűvel a +5 V-os C3 kondenzátor a D1-en keresztül töltődik. Amikor a 3. tű földre kerül, a D2 előrefelé előfeszített, és a C3 a C4-be ürül. Itt a +5 V-os tápegység körülbelül -5 V-os kimenetté alakul át, levonva a dióda cseppeket. Egy ilyen inverter áramkör hasznos, ha negatív tápfeszültségre van szükség. Ilyen például, amikor plusz és mínusz ellátásra van szükség egy op-erősítőhöz.

Minden töltőszivattyú a kapcsolók és a kondenzátorok valamilyen keveréke. A legtöbb integrált töltőszivattyú MOSFET kapcsolókat használ alacsony bekapcsolási ellenállással és integrált órával. A kondenzátorok mindig az IC-n kívül vannak, így a típus és a méret az órajelsebesség és a hullámzási követelmények szerint választható. Az áramkör lehet szabályozott vagy nem szabályozott.

A 3. ábra az IC töltőszivattyúkban használt néhány gyakori konfigurációt mutatja. A kapcsolók MOSFET-ek – az S2 és S3 kapcsolók együtt kapcsolnak, csakúgy, mint az S1 és S4. A belső oszcillátor hajtja meg a kapcsolókat.

3. Egy gyakori IC töltőszivattyú belső MOSFET kapcsolókkal és külső kondenzátorokkal és szabályozással konfigurált (a). A képen egy feszültséginvertáló töltőszivattyú IC áramkör látható (b).

A 3a. ábra a klasszikus feszültségkettős konfigurációt mutatja. Zárt S2 és S3 és nyitott S1 és S4 esetén a C1 “repülő” kondenzátor a bemeneti V egyenfeszültségre töltődik fel. A ciklus következő felén S2 és S3 nyitva van, míg S1 és S4 zárva. C1 sorba van kapcsolva a bemeneti feszültséggel, és a kombináció feltölti a C2-t. A kimenet 2 V egyenfeszültség, csökkentve a MOSFET kiesésével. Figyeljük meg a visszacsatolt feszültségosztót, amely a szabályozást biztosítja.

A 3b. ábrán egy invertáló változat látható. S2 és S3 zárva, S1 és S4 nyitva, a C1 “repülő” kondenzátor a bemeneti V dc feszültségre töltődik. A ciklus következő felén S1 és S3 nyitva van, míg S2 és S4 zárva. A C1 kisül a C2-be. Mivel a C2 felső vége földelve van, a kimenet a másik végén -V dc.

Típusos alkalmazások

A töltőszivattyúk ideálisak olyan konstrukciókhoz, amelyek egy nagyobb, egyfeszültségű fő tápegységet használnak, amely a teljesítmény nagy részét biztosítja, de kisebb áramú kiegészítő feszültségforrásokat igényel. Manapság sok IC és alkatrész többféle feszültséget igényel. Ezeket gyakran töltőszivattyúval lehet előállítani.

Klasszikus példa erre a MAX232 töltőszivattyús IC, amely a népszerű RS-232 soros interfész vonali meghajtó és vevő IC-k 5 V-os tápegységből történő táplálásához szükséges ±3-25 V-os tápegységeket állította elő. Egy másik példa arra vonatkozik, hogy egy USB adó-vevőt alacsonyabb feszültségű akkumulátor-ellátásból kell táplálni. A TFT-LCD előfeszítésű tápegységek még egy példát jelentenek.

Egyes mikroprocesszorok, valamint számos EEPROM és flash memória kiegészítő tápegységet igényelnek. A legtöbbjük chipen belüli töltőszivattyút használ e kiegészítő feszültségek biztosítására.

A töltőszivattyúk előnyei és hátrányai

A töltőszivattyúnak van néhány kulcsfontosságú előnye a többi fő egyenáramú átalakítóval és szabályozóval szemben:

– Egyszerűség.

– Alacsony költség. Kevesebb alkatrész. Nincs induktor.

– Kisebb PCB hely. Nincs induktor. Kisebb magasság.

– Nagyobb hatásfok, mint a lineáris. Becslések szerint 20%-os javulás.

– Kapható bak, boost és invertáló konfigurációban.

– Több IC gyártó.

– Semmi sem tökéletes minden tervezéshez, de a töltőszivattyúk hátrányai kevés:

– Kis terheléshez a legjobb (

– Elektromágneses interferencia (EMI). Ez még mindig egy kapcsoló üzemmódú áramkör, így némi EMI-t generál.

– Kevésbé hatékony, mint az induktor alapú kialakítások.

Az alternatívák összehasonlítása

A termék tervezésekor a dc-dc átalakító és szabályozó választási lehetőségei a töltőszivattyú, az LDO és az induktor alapú kapcsoló üzemmódú áramkörök. A táblázat összefoglalja mindegyik előnyeit és hátrányait.

Tervezési megjegyzések

Diszkrét kialakításoknál a Schottky-diódák elengedhetetlenek a gyors kapcsolás és az alacsonyabb feszültségesés (0,2-0,4 V) érdekében. A kondenzátorok tekintetében elektrolit vagy tantál használható az alacsonyabb frekvenciájú kapcsoláshoz. Magas ekvivalens soros ellenállásuk (ESR) azonban csökkenti az áramkör hatékonyságát.

Az IC-konstrukciókhoz a legjobb hatékonyság érdekében az alacsony ESR-rel rendelkező felületszerelt kerámia kondenzátorok elengedhetetlenek. A méretek a kapcsolási sebességtől függően változnak. Az elektrolitok vagy tantálok nem használhatók magas ESR-jük miatt. Egyes IC-k működés közben polaritásfordulást is okozhatnak, és sokan kárt okozhatnak. Kövesse az IC gyártójának ajánlásait.