Download dit artikel in .PDF-formaat

Een laadpomp is een soort SMPS-schakeling (switch-mode power-supply) die wordt gebruikt als een gelijkstroomconvertor of -regelaar met de juiste terugkoppelingsregeling. De laadpomp wordt vaak over het hoofd gezien wanneer een nieuw ontwerp wordt overwogen waarvoor deze schakelingen nodig zijn. Vanwege zijn eenvoud en andere voordelen kan de laadpomp een betere keuze zijn dan het gebruik van een lineaire regelaar met lage druppeluitgang (LDO) of een schakelende regelaar die gebruik maakt van een spoel. In uw volgende ontwerp, kunt u deze klassieke schakeling en zijn voordelen overwegen.

Charge-Pump Basics

De basis charge-pump schakeling is een switch-mode dc-dc converter die vaak nodig is in ontwerpen die meer dan één dc voedingsspanning vereisen. Hij bestaat uit schakelaars en condensatoren. De schakelaars zijn gewoonlijk diodes in discrete ontwerpen, maar zijn ook MOSFET’s in IC-versies. De condensatoren zijn elektrolytisch of keramisch, afhankelijk van de schakelsnelheid. Er is geen inductor nodig.

1. De basisconfiguratie van de spanningsverdubbelaar is de meest voorkomende laadpompschakeling.

Figuur 1 toont de basislaadpomp die is aangesloten als spanningsverdubbelaar. De werking is een tweestaps laad-ontlaadcyclus waarbij de “vliegende” condensator C1 zich oplaadt en vervolgens ontlaadt in C2. Wanneer de klok de uitgang van omvormer 1 laag stuurt, is D1 voorwaarts bekrachtigd en laadt C1 op tot V dc. D2 is op dat moment uit. Daarna stuurt de klok de uitgang van omvormer 1 hoog naar V dc.

Figuur 2 toont enkele voorbeelden van discrete laadpompen die gebruik maken van het populaire 555 timer IC. Figuur 2a is een spanningsverdubbelaar. De 555 timer werkt als een astabiele multivibrator met een frequentie die wordt ingesteld door R1, R2, en C1. De rechthoekige golfuitgang op pen 3 schakelt van +5 V naar bijna-massa. Als pen 3 laag is, laadt C3 zich via D1 op tot +5 V. Als pen 3 naar +5 V gaat, gaat D2 geleiden, waardoor de +5 V van de timer in serie komt te staan met de +5 V op C1, waardoor C4 wordt opgeladen. De uitgang is +10 V, minus de diodeverliezen. De lading op C1 staat nu in serie met V dc van omvormer 1. De uitgang van omvormer 2 is laag, dus D2 is forward-biased en C2 laadt op tot 2 V dc. De uitgang over de belasting is 2 V dc, minus de diode-voorwaartse dalingen, en eventuele verliezen in de omvormers. Schottky diodes hebben de voorkeur vanwege de lagere voorwaartse spanningsverliezen en de hoge schakelsnelheden. De kloksnelheden kunnen overal in het bereik van 10 kHz tot 2 MHz liggen. Als er meer diode- en condensatorsegmenten worden toegevoegd, kan de spanning verdrievoudigen of verviervoudigen (of zelfs hoger).

2. Het populaire 555 timer IC kan worden aangesloten als spanningsverdubbelaar (a), of als spanningsinverter (b).

De laadpomp kan worden geconfigureerd als een spanningsinverter, zoals te zien is in figuur 2b. Bij pen 3 laadt de +5-V C3 condensator zich op via D1. Als pen 3 naar massa gaat, wordt D2 voorwaarts bekrachtigd en C3 ontlaadt zich in C4. Hier wordt de +5-V voeding omgezet in een uitgang van ongeveer -5 V, verminderd met de diodeverliezen. Een dergelijke inverter schakeling is nuttig wanneer er behoefte is aan een negatieve voeding. Een voorbeeld is wanneer plus- en min-voedingen nodig zijn voor een op amp.

Alle laadpompen zijn een mengsel van schakelaars en condensatoren. De meeste geïntegreerde laadpompen gebruiken MOSFET schakelaars met een lage aan-weerstand en een geïntegreerde klok. De condensatoren bevinden zich altijd buiten het IC, zodat het type en de grootte kunnen worden gekozen naar gelang van de kloksnelheid en de rimpelvereisten. Het circuit kan al dan niet worden geregeld.

Figuur 3 toont enkele veel voorkomende configuraties die in IC-laadpompen worden gebruikt. De schakelaars zijn MOSFET’s – de schakelaars S2 en S3 schakelen samen, evenals S1 en S4. De interne oscillator stuurt de schakelaars aan.

3. Een veel voorkomende IC-laadpomp is geconfigureerd met interne MOSFET-schakelaars en externe condensatoren en regeling (a). Afgebeeld is een spanningsinverterende IC-laadpompschakeling (b).

Fig. 3a toont de klassieke spanningsdoubler-configuratie. Met S2 en S3 gesloten en S1 en S4 open, laadt de “vliegende” condensator C1 zich op tot de ingangsspanning V dc. Tijdens de volgende helft van de cyclus gaan S2 en S3 open terwijl S1 en S4 gesloten zijn. C1 wordt in serie geschakeld met de ingangsspanning, en de combinatie laadt C2 op. De uitgang is 2 V dc, verminderd met de MOSFET-verliezen. Let op de teruggekoppelde spanningsdeler die voor de regeling zorgt.

Een inverterende versie is te zien in Fig. 3b. Met S2 en S3 gesloten en S1 en S4 open, laadt de “vliegende” condensator C1 zich op tot de ingangsspanning V dc. Tijdens de volgende helft van de cyclus gaan S1 en S3 open terwijl S2 en S4 gesloten zijn. C1 ontlaadt zich in C2. Met het bovenste uiteinde van C2 geaard, is de uitgang aan het andere uiteinde -V dc.

Typische toepassingen

Laadpompen zijn ideaal voor ontwerpen die een grotere, belangrijkste voeding met één spanning gebruiken die het grootste deel van de stroom levert, maar hulpspanningsbronnen met een lagere stroom vereist. Vandaag vereisen vele ICs en componenten veelvoudige voltages. Deze kunnen vaak worden opgewekt met een laadpomp.

Een klassiek voorbeeld is het MAX232 laadpomp-IC dat de ±3- tot 25-V-voedingen genereert die nodig zijn om de populaire RS-232 seriële interface lijndriver en ontvanger-IC’s te voeden vanuit een 5-V-voeding. Een ander voorbeeld is de noodzaak om een USB transceiver te voeden vanuit een batterijvoeding met een lager voltage. TFT-LCD bias supplies zijn een ander voorbeeld.

Sommige microprocessoren hebben een hulpvoeding nodig, evenals vele EEPROMs en flash-geheugens. De meeste gebruiken op-chip laadpompen om deze extra spanningen te leveren.

De voordelen en nadelen van laadpompen

Een laadpomp heeft een aantal belangrijke voordelen ten opzichte van andere belangrijke soorten gelijkstroomomzetters en regelaars:

– Eenvoud.

– Lage kosten. Minder componenten. Geen inductor.

– Kleinere PCB ruimte. Geen inductor. Minder hoogte.

– Hoger rendement dan lineair. Geschatte 20% verbetering.

– Verkrijgbaar in buck, boost, en inverterende configuraties.

– Meerdere IC-leveranciers.

Niets is perfect voor elk ontwerp, maar de nadelen van laadpompen zijn gering:

– Beste voor kleine belastingen (

– Elektromagnetische interferentie (EMI). Het is nog steeds een switch-mode circuit, dus het genereert wat EMI.

– Minder efficiënt dan inductor-gebaseerde ontwerpen.

Vergelijking van de Alternatieven

Bij het ontwerpen van een product, uw dc-dc converter en regulator keuzes zijn de laadpomp, LDO en inductor-gebaseerde switch-mode circuits. De tabel geeft een overzicht van de voor- en nadelen van elk.

Design Notes

Voor discrete ontwerpen zijn Schottky-dioden een must voor snel schakelen en lagere spanningsverliezen (0,2 tot 0,4 V). Wat condensatoren betreft, kunnen elektrolytische of tantaalcondensatoren worden gebruikt voor schakelingen bij lagere frequenties. Hun hoge equivalente serieweerstand (ESR) maakt de schakeling echter minder efficiënt.

Voor IC-ontwerpen zijn keramische condensatoren met een lage ESR-waarde voor oppervlaktemontage van essentieel belang voor de beste efficiëntie. De afmetingen variëren naar gelang van de schakelsnelheid. Elektrolytische of tantaalcondensatoren mogen niet worden gebruikt vanwege hun hoge ESR. Sommige IC’s kunnen ook polariteitsomkering veroorzaken tijdens de werking en veel IC’s kunnen schade veroorzaken. Volg de aanbevelingen van de IC-fabrikant.