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Una pompa di carica è un tipo di circuito di alimentazione a commutazione (SMPS) che è usato come un convertitore o regolatore dc-dc con un controllo di feedback adeguato. La pompa di carica è spesso trascurata quando si considera un nuovo progetto che richiede questi circuiti. A causa della sua semplicità e di altri vantaggi, la pompa di carica può essere una scelta migliore rispetto all’uso di un regolatore lineare a basso dropout (LDO) o di un regolatore a commutazione che utilizza un induttore. Nel vostro prossimo progetto, potreste voler considerare questo circuito classico e i suoi vantaggi.

Fondamenti della pompa di carica

Il circuito di base della pompa di carica è un convertitore dc-dc in modalità switch che è spesso necessario nei progetti che richiedono più di una tensione di alimentazione dc. È composto da interruttori e condensatori. Gli interruttori sono di solito diodi nei progetti discreti, ma sono anche MOSFET nelle versioni IC. I condensatori sono elettrolitici o ceramici a seconda della velocità di commutazione. Non c’è bisogno di un induttore.

1. La configurazione base del raddoppiatore di tensione è il circuito di pompa di carica più comune.

La figura 1 mostra la pompa di carica base collegata come raddoppiatore di tensione. Il funzionamento è un ciclo di carica-scarica in due fasi in cui il condensatore “volante” C1 si carica e poi si scarica in C2. Quando il clock pilota l’uscita dell’inverter 1 bassa, D1 è forward-biased, caricando C1 a V dc. D2 è spento in questo momento. Poi l’orologio guida l’uscita dell’inverter 1 alta a V dc.

La figura 2 mostra alcuni esempi di pompe di carica discrete utilizzando il popolare timer IC 555. La figura 2a è un raddoppiatore di tensione. Il timer 555 funziona come un multivibratore astabile con una frequenza impostata da R1, R2 e C1. L’uscita ad onda rettangolare al pin 3 passa da +5 V a quasi terra. Quando il pin 3 è basso, C3 si carica attraverso D1 a +5 V. Quando il pin 3 va a +5 V, D2 conduce, collegando i +5 V dal timer in serie con i +5 V su C1, caricando così C4. L’uscita è +10 V, meno le cadute del diodo. La carica su C1 è ora in serie con V dc dall’inverter 1. L’uscita dell’inverter 2 è bassa, quindi D2 è forward-biased e C2 si carica a 2 V dc. L’uscita attraverso il carico è 2 V dc, meno le cadute in avanti del diodo e qualsiasi perdita negli inverter. I diodi Schottky sono preferiti a causa delle minori cadute di tensione in avanti e delle alte velocità di commutazione. Le velocità di clock possono essere ovunque nell’intervallo da 10-kHz a 2-MHz. Se si aggiungono più segmenti di diodi e condensatori, la tensione può triplicare o quadruplicare (o anche di più).

2. Il popolare 555 timer IC può essere collegato come un raddoppiatore di tensione (a), o un inverter di tensione (b).

La pompa di carica può essere configurata come un inverter di tensione, come si vede nella Figura 2b. Con il pin 3, il condensatore C3 a +5 V si carica attraverso D1. Quando il pin 3 va a terra, D2 è forward-biased e C3 si scarica in C4. Qui, l’alimentazione a +5 V viene convertita in un’uscita di circa -5 V, meno le cadute del diodo. Un tale circuito inverter è utile quando c’è bisogno di un’alimentazione negativa. Un esempio è quando le alimentazioni più e meno sono necessarie per un amplificatore operazionale.

Tutte le pompe di carica sono un mix di interruttori e condensatori. La maggior parte delle pompe di carica integrate usano interruttori MOSFET con una bassa resistenza di accensione e un clock integrato. I condensatori sono sempre esterni all’IC in modo che il tipo e la dimensione possano essere selezionati in base alla velocità di clock e ai requisiti di ripple. Il circuito può essere regolato o meno.

La figura 3 mostra alcune configurazioni comuni usate nelle pompe di carica IC. Gli interruttori sono MOSFET – gli interruttori S2 e S3 commutano insieme, così come S1 e S4. L’oscillatore interno pilota gli interruttori.

3. Una comune pompa di carica IC è configurata con interruttori MOSFET interni e condensatori e regolazione esterni (a). Viene mostrato un circuito IC a pompa di carica invertente (b).

Fig. 3a mostra la classica configurazione a doppia tensione. Con S2 e S3 chiusi e S1 e S4 aperti, il condensatore “volante” C1 si carica alla tensione di ingresso V dc. Nella metà successiva del ciclo, S2 e S3 si aprono mentre S1 e S4 sono chiusi. C1 è collegato in serie alla tensione d’ingresso, e la combinazione carica C2. L’uscita è 2 V dc, meno le cadute del MOSFET. Notate il divisore di tensione di feedback che fornisce la regolazione.

Una versione invertente è mostrata in Fig. 3b. Con S2 e S3 chiusi e S1 e S4 aperti, il condensatore “volante” C1 si carica alla tensione di ingresso V dc. Nella prossima metà del ciclo, S1 e S3 si aprono mentre S2 e S4 sono chiusi. C1 si scarica in C2. Con l’estremità superiore di C2 a terra, l’uscita all’altra estremità è -V dc.

Applicazioni tipiche

Le pompe di carica sono ideali per i progetti che utilizzano un’alimentazione principale a tensione singola più grande, che fornisce la maggior parte della potenza ma richiede fonti di tensione ausiliarie a bassa corrente. Oggi, molti circuiti integrati e componenti richiedono tensioni multiple. Questi possono spesso essere generati con una pompa di carica.

Un esempio classico è il circuito integrato a pompa di carica MAX232 che ha generato le alimentazioni da ±3- a 25-V richieste per alimentare il popolare driver di linea dell’interfaccia seriale RS-232 e i circuiti integrati di ricezione da un’alimentazione a 5-V. Un altro esempio riguarda la necessità di alimentare un ricetrasmettitore USB da un’alimentazione a bassa tensione della batteria. Gli alimentatori TFT-LCD rappresentano un altro esempio.

Alcuni microprocessori richiedono un’alimentazione ausiliaria, così come molte EEPROM e memorie flash. La maggior parte usa pompe di carica on-chip per fornire queste tensioni aggiuntive.

I vantaggi e gli svantaggi delle pompe di carica

Una pompa di carica presenta alcuni vantaggi chiave rispetto ad altri tipi principali di convertitori e regolatori dc-dc:

– Semplicità.

– Basso costo. Meno componenti. Nessun induttore.

– Minore spazio sul PCB. Nessun induttore. Meno altezza.

– Maggiore efficienza rispetto al lineare. Si stima un miglioramento del 20%.

– Disponibile nelle configurazioni buck, boost e invertente.

– Diversi fornitori di IC.

Niente è perfetto per ogni progetto ma gli svantaggi delle pompe di carica sono pochi:

– Meglio per piccoli carichi (

– Interferenze elettromagnetiche (EMI). È ancora un circuito in modalità switch, quindi genera un po’ di EMI.

– Meno efficiente dei progetti basati su induttori.

Confronto delle alternative

Quando si progetta un prodotto, le scelte del convertitore dc-dc e del regolatore sono la pompa di carica, LDO e circuiti in modalità switch basati su induttori. La tabella riassume i vantaggi e gli svantaggi di ciascuno.

Note di progettazione

Per i progetti discreti, i diodi Schottky sono un must per la commutazione veloce e le cadute di tensione inferiori (0,2 a 0,4 V). In termini di condensatori, elettrolitici o al tantalio possono essere utilizzati per la commutazione a bassa frequenza. Tuttavia, la loro alta resistenza equivalente in serie (ESR) rende il circuito meno efficiente.

Per i progetti IC, i condensatori ceramici a montaggio superficiale a bassa ESR sono essenziali per la migliore efficienza. Le dimensioni variano con le velocità di commutazione. Elettrolitici o tantalio non dovrebbero essere usati a causa della loro alta ESR. Alcuni circuiti integrati possono anche causare l’inversione di polarità durante il funzionamento e molti causano danni. Seguite le raccomandazioni del produttore del circuito integrato.