Pobierz ten artykuł w formacie .PDF

Pompa ładująca to rodzaj obwodu zasilacza impulsowego (SMPS), który jest używany jako konwerter lub regulator prądu stałego z odpowiednim sprzężeniem zwrotnym. Pompa ładunkowa jest często pomijana, gdy rozważa się nowy projekt wymagający tych obwodów. Ze względu na swoją prostotę i inne zalety, pompa ładunkowa może być lepszym wyborem niż zastosowanie regulatora liniowego o niskim spadku (LDO) lub regulatora impulsowego wykorzystującego cewkę indukcyjną. W następnym projekcie, możesz rozważyć ten klasyczny obwód i jego zalety.

Podstawy pompy ładującej

Podstawowy obwód pompy ładującej jest konwerterem dc-dc pracującym w trybie przełączania, który jest często potrzebny w projektach wymagających więcej niż jednego napięcia zasilania dc. Składa się on z przełączników i kondensatorów. Przełączniki są zwykle diodami w projektach dyskretnych, ale są również MOSFETami w wersjach IC. Kondensatory są elektrolityczne lub ceramiczne w zależności od szybkości przełączania. Nie ma potrzeby stosowania cewki indukcyjnej.

1. Podstawowa konfiguracja podwajacza napięcia jest najczęściej spotykanym układem pompy ładunkowej.

Rysunek 1 przedstawia podstawową pompę ładunkową, która jest podłączona jako podwajacz napięcia. Działanie polega na dwustopniowym cyklu ładowania-rozładowania, w którym „latający” kondensator C1 ładuje się, a następnie rozładowuje do C2. Gdy zegar ustawia wyjście inwertera 1 w stan niski, D1 jest spolaryzowany w przód, ładując C1 do V dc. D2 jest w tym czasie wyłączony. Następnie zegar doprowadza wyjście przetwornicy 1 do stanu wysokiego V dc.

Na rysunku 2 pokazano kilka przykładów dyskretnych pomp ładunkowych wykorzystujących popularny układ scalony timera 555. Rysunek 2a to podwajacz napięcia. Układ czasowy 555 działa jako multiwibrator astabilny z częstotliwością ustawianą przez R1, R2 i C1. Wyjście fali prostokątnej na styku 3 przełącza się z +5 V do bliskiej masy. Gdy pin 3 jest niski, C3 ładuje się poprzez D1 do +5 V. Gdy pin 3 przechodzi do +5 V, D2 przewodzi, łącząc +5 V z timera szeregowo z +5 V na C1, ładując w ten sposób C4. Napięcie wyjściowe wynosi +10 V, po odjęciu spadków diody. Ładunek na C1 jest teraz w szeregu z V dc z przetwornicy 1. Wyjście przetwornicy 2 jest niskie, więc D2 jest spiętrzone, a C2 ładuje się do 2 V dc. Napięcie wyjściowe na obciążeniu wynosi 2 V dc, pomniejszone o spadek napięcia na diodzie i straty w przetwornicach. Diody Schottky’ego są preferowane ze względu na niższe spadki napięcia w przód i wysokie prędkości przełączania. Szybkość zegara może być w dowolnym miejscu w zakresie od 10-kHz do 2-MHz. Jeśli doda się więcej segmentów diod i kondensatorów, napięcie może wzrosnąć trzykrotnie lub czterokrotnie (lub jeszcze wyżej).

2. Popularny układ scalony 555 timer może być podłączony jako podwajacz napięcia (a), lub jako inwerter napięcia (b).

Pompa ładująca może być skonfigurowana jako inwerter napięcia, jak widać na rysunku 2b. Przy pinie 3, kondensator +5-V C3 ładuje się przez D1. Kiedy pin 3 przechodzi do masy, D2 jest spiętrzony i C3 rozładowuje się do C4. W ten sposób zasilanie +5 V jest zamieniane na wyjście o napięciu około -5 V, po odjęciu spadków diody. Taki układ inwertera jest przydatny, gdy istnieje potrzeba zasilania ujemnego. Przykładem jest sytuacja, gdy potrzebne jest plusowe i minusowe zasilanie dla wzmacniacza op.

Wszystkie pompy ładunkowe są pewną mieszanką przełączników i kondensatorów. Większość zintegrowanych pomp ładunkowych wykorzystuje przełączniki MOSFET o niskiej rezystancji włączania i zintegrowany zegar. Kondensatory są zawsze zewnętrzne w stosunku do układu scalonego, tak że typ i rozmiar może być wybrany w zależności od prędkości zegara i wymagań tętnień. Układ może, ale nie musi być regulowany.

Rysunek 3 pokazuje niektóre typowe konfiguracje stosowane w pompach ładunkowych IC. Przełączniki są MOSFETami – przełączniki S2 i S3 przełączają się razem, podobnie jak S1 i S4. Wewnętrzny oscylator napędza przełączniki.

3. Popularna pompa ładunkowa IC jest skonfigurowana z wewnętrznymi przełącznikami MOSFET oraz zewnętrznymi kondensatorami i regulacją (a). Pokazany jest układ IC pompy ładunkowej odwracający napięcie (b).

Fig. 3a pokazuje klasyczną konfigurację voltage-doubler. Przy zamkniętych S2 i S3 oraz otwartych S1 i S4, „latający” kondensator C1 ładuje się do napięcia wejściowego V dc. W następnej połowie cyklu S2 i S3 otwierają się, podczas gdy S1 i S4 są zamknięte. C1 jest połączony szeregowo z napięciem wejściowym, a ta kombinacja ładuje C2. Napięcie wyjściowe wynosi 2 V dc, minus spadki MOSFET. Zwróć uwagę na zwrotny dzielnik napięcia, który zapewnia regulację.

Wersja odwracająca jest pokazana na Rys. 3b. Przy zamkniętych S2 i S3 oraz otwartych S1 i S4, „latający” kondensator C1 ładuje się do napięcia wejściowego V dc. W następnej połowie cyklu S1 i S3 otwierają się, podczas gdy S2 i S4 są zamknięte. C1 rozładowuje się do C2. Z górnym końcem C2 uziemionym, wyjściem na drugim końcu jest -V dc.

Typowe zastosowania

Pompy ładujące są idealne do projektów, które używają większego, głównego zasilacza jednonapięciowego, który dostarcza większość mocy, ale wymaga pomocniczych źródeł napięcia o niższym prądzie. Obecnie, wiele układów scalonych i komponentów wymaga wielu napięć. Często można je wygenerować za pomocą pompy ładunkowej.

Klasycznym przykładem jest MAX232 charge-pump IC, który wygenerował napięcia ±3- do 25 V wymagane do zasilania popularnych układów scalonych sterownika i odbiornika interfejsu szeregowego RS-232 z zasilania 5 V. Innym przykładem jest potrzeba zasilania transceivera USB z baterii o niższym napięciu. Zasilacze TFT-LCD stanowią jeszcze jeden przykład.

Niektóre mikroprocesory wymagają zasilania pomocniczego, podobnie jak wiele EEPROM-ów i pamięci flash. Większość z nich używa wbudowanych pomp ładunkowych do dostarczenia tych dodatkowych napięć.

Zalety i wady pomp ładunkowych

Pompa ładunkowa posiada kilka kluczowych zalet w stosunku do innych głównych typów przetwornic i regulatorów dc-dc:

– Prostota.

– Niski koszt. Mniej elementów. Brak cewki indukcyjnej.

– Mniejsza powierzchnia płytki drukowanej. Brak cewki indukcyjnej. Mniejsza wysokość.

– Wyższa sprawność niż liniowa. Szacowana poprawa o 20%.

– Dostępne w konfiguracjach buck, boost i inverting.

– Wielu dostawców IC.

Nic nie jest idealne dla każdego projektu, ale wady pomp ładunkowych są nieliczne:

– Najlepsze dla małych obciążeń (

– Zakłócenia elektromagnetyczne (EMI). Jest to nadal układ przełączający, więc generuje pewne EMI.

– Mniej wydajny niż układy oparte na cewkach.

Porównanie alternatyw

Przy projektowaniu produktu do wyboru masz konwerter dc-dc i regulator z pompą ładunkową, LDO i układy przełączające oparte na cewkach. Tabela podsumowuje zalety i wady każdego z nich.

Design Notes

W przypadku projektów dyskretnych, diody Schottky’ego są koniecznością ze względu na szybkie przełączanie i niższe spadki napięcia (0,2 do 0,4 V). Jeśli chodzi o kondensatory, elektrolityczne lub tantalowe mogą być używane do przełączania przy niższych częstotliwościach. Jednak ich wysoka zastępcza rezystancja szeregowa (ESR) sprawia, że obwód jest mniej wydajny.

Dla projektów układów scalonych, kondensatory ceramiczne o niskim ESR do montażu powierzchniowego są niezbędne dla najlepszej wydajności. Rozmiary różnią się z prędkościami przełączania. Electrolytics lub tantale nie powinny być używane z powodu ich wysokiego ESR. Niektóre układy scalone mogą również powodować odwrócenie polaryzacji podczas pracy, a wiele z nich może powodować uszkodzenia. Postępuj zgodnie z zaleceniami producenta układu scalonego.

.