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A charge pump is a type of switch-mode power supply (SMPS) circuit that’s used as dc-dc converter or regulator with appropriate feedback control. これらの回路を必要とする新しい設計を考えるとき、チャージ・ポンプは見落とされがちです。 チャージポンプは、そのシンプルさとその他の利点から、低ドロップアウト（LDO）リニアレギュレータやインダクタを使用したスイッチモードレギュレータの使用よりも良い選択となる場合があります。

チャージポンプの基本

基本的なチャージポンプ回路は、スイッチモード DC-DC コンバータで、複数の DC 電源電圧を必要とする設計でよく使用されます。 これは、スイッチとコンデンサで構成されています。 スイッチには、ディスクリート設計ではダイオードが、IC設計ではMOSFETが使用されます。 コンデンサはスイッチング速度に応じて電解質またはセラミックを使用します。

1.インダクタは必要ない。 基本的な電圧ダブラーの構成は、最も一般的なチャージポンプ回路です。

Figure 1は、電圧ダブラーとして接続されている基本的なチャージポンプを示したものです。 動作は2段階の充放電サイクルで、「フライング」コンデンサC1が充電し、C2へ放電する。 クロックによってインバータ1の出力がLowになると、D1が順方向にバイアスされ、C1がV dcに充電される。 このとき、D2はオフです。 その後、クロックによってインバータ1の出力がHighになり、V dcになります。

図2は、一般的な555タイマーICを使用したディスクリートチャージポンプの例である。 図2aは電圧倍増器です。 555タイマーは、R1、R2、C1で周波数を設定する非安定マルチバイブレータとして動作します。 3ピンの矩形波出力は、+5Vから接地付近まで切り替わります。 3番ピンがLowのとき，C3はD1を介して+5 Vに充電され，3番ピンが+5 VになるとD2が導通し，タイマからの+5 VとC1の+5 Vが直列に接続されてC4が充電される。 C1の充電は、インバータ1からの直流電圧と直列に接続されます。 インバータ2の出力は低いので、D2が順バイアスされ、C2は2V DCに充電されます。 負荷側の出力は、ダイオードの順方向降下とインバータでの損失を差し引いた2V DCとなる。 順方向電圧降下が小さく、スイッチング速度が速いため、ショットキーダイオードが好まれる。 クロック速度は、10kHzから2MHzの範囲であればどこでもよい。 より多くのダイオードとコンデンサセグメントが追加された場合、電圧は3倍または4倍（またはそれ以上）になることがあります。

2.1.2. 人気の555タイマーICは、倍電圧器（a）、電圧インバータ（b）として接続できます。

図2bに見られるように、チャージポンプは電圧インバータとして構成することが可能です。 ピン3では、D1を通じて+5VのC3コンデンサが充電されます。 ピン3がグランドになると、D2が順バイアスされ、C3はC4に放電されます。 このとき，+5Vの電源は，ダイオードのドロップを差し引いて，約-5Vの出力に変換される。 このようなインバータ回路は、負電源が必要な場合に有効です。

すべてのチャージ・ポンプは、スイッチとコンデンサが混在しています。 ほとんどの集積型チャージ・ポンプは、低オン抵抗のMOSFETスイッチと集積型クロックを使用しています。 コンデンサはICに外付けされ、クロック速度やリップルの要求に応じて種類とサイズを選択することができます。 図3は、ICチャージポンプの一般的な構成を示しています。 スイッチはMOSFETで、S2とS3は一緒にスイッチングし、S1とS4も同様にスイッチングします。 内部発振器がスイッチを駆動します。

3. ICチャージポンプは内部MOSFETスイッチと外部コンデンサ、レギュレータで構成されるが（a）一般的にはMOSFETスイッチで構成する。 図3aは、古典的な電圧ダブラの構成です。 S2とS3が閉じ、S1とS4が開いた状態で、「フライング」コンデンサC1が入力電圧V dcに充電される。 次のサイクルの半分では、S2とS3が開き、S1とS4は閉じます。 C1は入力電圧と直列に接続され、その組み合わせによりC2が充電されます。 出力はMOSFETのドロップを差し引いた2V dcとなる。 レギュレーションを実現するフィードバック分圧器に注目してください。

反転バージョンを図3bに示します。 S2とS3が閉じ、S1とS4が開いた状態で、「フライング」コンデンサC1が入力電圧V dcまで充電されます。 次のサイクルの半分では、S1とS3が開き、S2とS4は閉じている。 C1はC2へ放電される。 C2 の上端を接地すると、もう一方の端の出力は -V dc になります。

代表的なアプリケーション

チャージポンプは、電力の大部分を供給する、より大きな主単電源を使用しながら、より低い電流の補助電圧源を必要とする設計に理想的です。 今日、多くのICやコンポーネントが複数の電圧を必要とします。

典型的な例は、MAX232チャージ・ポンプICで、一般的なRS-232シリアル・インターフェースのライン・ドライバおよびレシーバICに必要な±3～25V電源を5V電源から発生させます。 また、USBトランシーバを低電圧のバッテリ電源から供給する必要がある場合にも使用されます。 マイクロプロセッサの中には、多くの EEPROM やフラッシュ・メモリと同様に、補助電源が必要なものがあります。

チャージ ポンプの利点と欠点

チャージ ポンプは、他の主要なタイプの dc-dc コンバータやレギュレータと比較して、いくつかの重要な利点を持っています。

– シンプルさ。

– 低コスト。 コンポーネントが少ない。 インダクタがない。

– PCBスペースが小さい。 インダクタがない。

– リニアより高効率。

– リニアより高効率。20%向上と推定。

– 降圧、昇圧、反転構成で利用可能。

– 複数のICベンダー。

すべての設計に完璧なものはないが、チャージポンプの短所は少ない：

– 小型負荷に最適（

– 電磁妨害 (EMI)）.

– 電磁妨害（EMI）。スイッチモード回路であるため、多少の EMI が発生する。

– インダクタベースの設計よりも効率が悪い。

代替品の比較

製品の設計時に、DC-DC コンバータとレギュレータの選択肢として、チャージポンプ、LDO、インダクタベースのスイッチモード回路が挙げられます。 この表では、それぞれのメリットとデメリットをまとめています。

デザインノート

ディスクリートデザインでは、ショットキーダイオードは高速スイッチングと低い電圧ドロップ（0.2～0.4 V）のためには必須アイテムです。 コンデンサについては、低周波のスイッチングには電解またはタンタルを使用できます。 しかし、等価直列抵抗（ESR）が高いため、回路の効率が悪くなります。

IC設計では、最高の効率を得るために低ESRの表面実装セラミック・コンデンサが不可欠である。 サイズはスイッチング速度によって異なる。 電解やタンタルはESRが高いので使用しないでください。 また、ICによっては動作中に極性反転を起こすものがあり、破損の原因となるものも少なくありません。 ICメーカーの推奨にしたがってください。

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