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Una bomba de carga es un tipo de circuito de fuente de alimentación conmutada (SMPS) que se utiliza como convertidor o regulador de CC con un control de retroalimentación adecuado. La bomba de carga a menudo se pasa por alto cuando se considera un nuevo diseño que requiere estos circuitos. Debido a su simplicidad y otras ventajas, la bomba de carga puede ser una mejor opción que el uso de un regulador lineal de baja caída (LDO) o un regulador conmutado que utilice un inductor. En su próximo diseño, es posible que desee considerar este circuito clásico y sus ventajas.

Base de la bomba de carga

El circuito básico de la bomba de carga es un convertidor CC-CC conmutado que a menudo se necesita en diseños que requieren más de una tensión de alimentación de CC. Está formado por interruptores y condensadores. Los interruptores suelen ser diodos en los diseños discretos, pero también son MOSFET en las versiones de CI. Los condensadores son electrolíticos o cerámicos, según la velocidad de conmutación. No hay necesidad de un inductor.

1. La configuración básica del duplicador de tensión es el circuito de bomba de carga más común.

La figura 1 muestra la bomba de carga básica que está conectada como un duplicador de tensión. El funcionamiento es un ciclo de carga-descarga de dos pasos en el que el condensador «volante» C1 se carga y luego se descarga en C2. Cuando el reloj conduce la salida del inversor 1 a nivel bajo, D1 se polariza hacia adelante, cargando C1 a V dc. D2 está apagado en este momento. Entonces el reloj conduce la salida del inversor 1 a V dc.

La figura 2 muestra algunos ejemplos de bombas de carga discretas utilizando el popular CI temporizador 555. La figura 2a es un duplicador de tensión. El temporizador 555 funciona como un multivibrador astable con una frecuencia establecida por R1, R2 y C1. La salida de onda rectangular en el pin 3 cambia de +5 V a casi tierra. Cuando el pin 3 está bajo, C3 se carga a través de D1 a +5 V. Cuando el pin 3 pasa a +5 V, D2 conduce, conectando los +5 V del temporizador en serie con los +5 V de C1, cargando así a C4. La carga de C1 está ahora en serie con los V cc del inversor 1. La salida del inversor 2 es baja. La salida del inversor 2 es baja, por lo que D2 se polariza hacia delante y C2 se carga a 2 V cc. La salida a través de la carga es de 2 V cc, menos las caídas hacia delante de los diodos y las pérdidas en los inversores. Se prefieren los diodos Schottky por sus menores caídas de tensión hacia delante y sus altas velocidades de conmutación. Las velocidades de reloj pueden estar en el rango de 10-kHz a 2-MHz. Si se añaden más segmentos de diodos y condensadores, la tensión puede triplicarse o cuadruplicarse (o incluso más).

2. El popular CI del temporizador 555 puede conectarse como un duplicador de tensión (a), o como un inversor de tensión (b).

La bomba de carga puede configurarse como un inversor de tensión, como se ve en la figura 2b. Con el pin 3, el condensador C3 de +5-V se carga a través de D1. Cuando el pin 3 va a tierra, D2 se polariza hacia adelante y C3 se descarga en C4. Aquí, la alimentación de +5-V se convierte en una salida de aproximadamente -5 V, menos las caídas del diodo. Este circuito inversor es útil cuando se necesita una alimentación negativa. Un ejemplo es cuando se necesitan suministros positivos y negativos para un amplificador operacional.

Todas las bombas de carga son una mezcla de interruptores y condensadores. La mayoría de las bombas de carga integradas utilizan interruptores MOSFET con una baja resistencia de encendido y un reloj integrado. Los condensadores son siempre externos al CI, de modo que el tipo y el tamaño pueden seleccionarse en función de la velocidad del reloj y los requisitos de ondulación. El circuito puede estar regulado o no.

La figura 3 muestra algunas configuraciones comunes utilizadas en bombas de carga de CI. Los interruptores son MOSFETs: los interruptores S2 y S3 conmutan juntos, al igual que S1 y S4. El oscilador interno acciona los interruptores.

3. Una bomba de carga de CI común está configurada con interruptores MOSFET internos y condensadores externos y regulación (a). Se muestra un circuito IC de bomba de carga con inversión de tensión (b).

La Fig. 3a muestra la configuración clásica de desdoblamiento de tensión. Con S2 y S3 cerrados y S1 y S4 abiertos, el condensador «volante» C1 se carga hasta la tensión de entrada V dc. En la siguiente mitad del ciclo, S2 y S3 se abren mientras S1 y S4 están cerrados. C1 se conecta en serie con la tensión de entrada, y la combinación carga C2. La salida es de 2 V cc, menos las caídas del MOSFET. Observe el divisor de tensión de retroalimentación que proporciona la regulación.

En la Fig. 3b se muestra una versión inversa. Con S2 y S3 cerrados y S1 y S4 abiertos, el condensador «volante» C1 se carga hasta la tensión de entrada V dc. En la siguiente mitad del ciclo, S1 y S3 se abren mientras S2 y S4 están cerrados. C1 se descarga en C2. Con el extremo superior de C2 conectado a tierra, la salida en el otro extremo es -V dc.

Aplicaciones típicas

Las bombas de carga son ideales para diseños que utilizan una fuente de alimentación principal de un solo voltaje más grande que suministra la mayor parte de la energía pero que requiere fuentes de voltaje auxiliares de menor corriente. Hoy en día, muchos circuitos integrados y componentes requieren múltiples tensiones. Un ejemplo clásico es el CI de bomba de carga MAX232, que genera los suministros de ±3 a 25 V necesarios para alimentar el popular controlador de línea y los CI receptores de la interfaz serie RS-232 a partir de una alimentación de 5 V. Otro ejemplo es la necesidad de alimentar un transceptor USB a partir de una batería de bajo voltaje. Los suministros de polarización de TFT-LCD representan un ejemplo más.

Algunos microprocesadores requieren una alimentación auxiliar, al igual que muchas EEPROM y memorias flash. La mayoría utiliza bombas de carga en el chip para proporcionar estos voltajes adicionales.

Las ventajas y desventajas de las bombas de carga

Una bomba de carga tiene algunas ventajas clave sobre otros tipos principales de convertidores y reguladores de corriente continua:

– Simplicidad.

– Bajo coste. Menos componentes. Sin inductor.

– Menor espacio en la placa de circuito impreso. Sin inductor. Menor altura.

– Mayor eficiencia que el lineal. Se estima una mejora del 20%.

– Disponible en configuraciones buck, boost e inversora.

– Múltiples proveedores de CI.

Nada es perfecto para todos los diseños, pero las desventajas de las bombas de carga son pocas:

– Mejor para cargas pequeñas (

– Interferencia electromagnética (EMI). Sigue siendo un circuito conmutado, por lo que genera algo de EMI.

– Menos eficiente que los diseños basados en inductores.

Comparación de las alternativas

Cuando se diseña un producto, sus opciones de convertidor y regulador dc-dc son la bomba de carga, el LDO y los circuitos conmutados basados en inductores. La tabla resume las ventajas y desventajas de cada uno.

Notas de diseño

Para los diseños discretos, los diodos Schottky son imprescindibles para la conmutación rápida y las caídas de tensión más bajas (0,2 a 0,4 V). En cuanto a los condensadores, se pueden utilizar electrolíticos o de tantalio para la conmutación a baja frecuencia. Sin embargo, su alta resistencia equivalente en serie (ESR) hace que el circuito sea menos eficiente.

Para los diseños de CI, los condensadores cerámicos de montaje superficial de baja ESR son esenciales para obtener la mejor eficiencia. Los tamaños varían con las velocidades de conmutación. No deben utilizarse electrolíticos o tántalos debido a su alta ESR. Algunos circuitos integrados también pueden provocar la inversión de la polaridad durante el funcionamiento y muchos causan daños. Siga las recomendaciones del fabricante del CI.