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Uma bomba de carga é um tipo de circuito de fonte de alimentação de modo de interruptor (SMPS) que é usado como um conversor dc-dc ou regulador com controle de feedback apropriado. A bomba de carga é frequentemente negligenciada quando se considera um novo desenho que requer estes circuitos. Devido à sua simplicidade e outros benefícios, a bomba de carga pode ser uma escolha melhor do que o uso de um regulador linear de baixa saída (LDO) ou um regulador de modo de interruptor usando um indutor. Em seu próximo projeto, você pode querer considerar este circuito clássico e suas vantagens.

Bomba de carga básica

O circuito básico da bomba de carga é um conversor de modo de interruptor dc-dc que é freqüentemente necessário em projetos que requerem mais de uma tensão de alimentação dc. É composto por interruptores e condensadores. Os interruptores são normalmente diodos em desenhos discretos, mas também são MOSFETs em versões IC. Os condensadores são electrolíticos ou cerâmicos, dependendo da velocidade de comutação. Não há necessidade de um indutor.

1. A configuração básica do duplicador de tensão é o circuito de bomba de carga mais comum.

Figure 1 mostra a bomba de carga básica que está ligada como duplicador de tensão. A operação é um ciclo de carga-descarga em duas etapas onde o condensador C1 “voador” carrega e depois descarrega em C2. Quando o relógio acciona a saída do inversor 1 a baixa, D1 é polarizado para a frente, carregando C1 a V dc. D2 está desligado neste momento. Então o relógio acciona a saída do inversor 1 alto para V dc.

Figure 2 mostra alguns exemplos de bombas de carga discreta usando o popular CI temporizador 555. A Figura 2a é um duplicador de voltagem. O temporizador 555 funciona como um multivibrador estável com uma frequência definida por R1, R2, e C1. A saída de onda retangular no pino 3 comuta de +5 V para perto do solo. Quando o pino 3 está baixo, C3 carrega através de D1 a +5 V. Quando o pino 3 vai a +5 V, D2 conduz, ligando os +5 V do temporizador em série com os +5 V em C1, carregando assim C4. A saída é +10 V, menos a queda do diodo. A carga em C1 está agora em série com V dc a partir do inversor 1. A saída do inversor 2 é baixa, pelo que D2 está inclinado para a frente e C2 carrega até 2 V DC. A saída através da carga é de 2 V DC, menos as quedas do diodo para a frente, e quaisquer perdas nos inversores. Os díodos Schottky são preferidos por causa das quedas de tensão para a frente mais baixas e das altas velocidades de comutação. As velocidades do relógio podem estar em qualquer lugar na faixa de 10-kHz a 2-MHz. Se mais segmentos de diodos e capacitores forem adicionados, a voltagem pode triplicar ou quadruplicar (ou até mais alto).

2. O popular CI temporizador 555 pode ser conectado como um duplicador de tensão (a), ou um inversor de tensão (b).

A bomba de carga pode ser configurada como um inversor de tensão, como visto na Figura 2b. Com o pino 3, o condensador +5-V C3 carrega através de D1. Quando o pino 3 vai para a terra, D2 é polarizado para a frente e C3 descarrega em C4. Aqui, a alimentação +5-V é convertida em uma saída de cerca de -5 V, menos as quedas do diodo. Tal circuito inversor é útil quando existe a necessidade de uma alimentação negativa. Um exemplo é quando são necessárias mais e menos fontes de alimentação para um op amp.

Todas as bombas de carga são uma mistura de interruptores e condensadores. A maioria das bombas de carga integradas usam interruptores MOSFET com uma baixa resistência e um relógio integrado. Os condensadores são sempre externos ao CI de modo que o tipo e tamanho podem ser seleccionados de acordo com a velocidade do relógio e os requisitos de ondulação. O circuito pode ou não ser regulado.

Figure 3 mostra algumas configurações comuns usadas em bombas de carga de CI. Os interruptores são interruptores MOSFET S2 e S3 juntos, assim como os interruptores S1 e S4. O oscilador interno aciona os comutadores.

3. Uma bomba de carga de CI comum é configurada com chaves MOSFET internas e capacitores externos e regulagem (a). Mostrado é um circuito IC de inversão de tensão da bomba de carga (b).

Fig. 3a mostra a configuração clássica de tensão-doubler. Com S2 e S3 fechados e S1 e S4 abertos, o condensador C1 “voador” carrega para a tensão de entrada V dc. Na metade seguinte do ciclo, S2 e S3 abrem enquanto S1 e S4 estão fechados. C1 é ligado em série com a tensão de entrada, e as cargas combinadas C2. A saída é de 2 V DC, menos as quedas do MOSFET. Note o divisor de tensão de realimentação que fornece a regulação.

A versão inversa é mostrada na Fig. 3b. Com S2 e S3 fechados e S1 e S4 abertos, o condensador C1 “voador” carrega para a tensão de entrada V dc. Na metade seguinte do ciclo, S1 e S3 abrem enquanto S2 e S4 estão fechados. C1 descarrega em C2. Com o extremo superior de C2 aterrado, a saída no outro extremo é -V dc.

Aplicações Típicas

Bombas de carga são ideais para projetos que utilizam uma fonte de alimentação principal de tensão única, maior, que fornece a maior parte da energia, mas requer fontes de tensão auxiliares de corrente inferior. Hoje em dia, muitos ICs e componentes requerem múltiplas tensões. Estas podem muitas vezes ser geradas com uma bomba de carga.

Um exemplo clássico é o CI da bomba de carga MAX232 que gerou as fontes de alimentação de ±3 a 25-V necessárias para alimentar os populares CIs de linha de interface serial RS-232 a partir de uma fonte de 5-V. Outro exemplo envolve a necessidade de alimentar um transceptor USB a partir de uma fonte de bateria de baixa voltagem. As fontes de polarização TFT-LCD representam mais um exemplo.

Alguns microprocessadores requerem uma fonte auxiliar, assim como muitas EEPROMs e memórias flash. A maioria usa bombas de carga em chip para fornecer estas tensões adicionais.

Os benefícios e desvantagens das bombas de carga

Uma bomba de carga tem algumas vantagens chave sobre outros tipos principais de conversores e reguladores dc-dc:

– Simplicidade.

– Baixo custo. Menos componentes. Sem indutor.

– Menor espaço na placa de circuito impresso. Sem indutor. Menor altura.

– Maior eficiência que linear. Melhoria estimada em 20%.

– Disponível em configurações de buck, boost e inversor.

– Múltiplos fornecedores de IC.

– Nada é perfeito para cada projeto, mas as desvantagens das bombas de carga são poucas:

– Melhor para pequenas cargas (

– Interferência eletromagnética (EMI). Ainda é um circuito de modo de interruptor, por isso gera alguma EMI.

– Menos eficiente que os circuitos de modo de indutor.

Comparando as Alternativas

Quando se projecta um produto, as escolhas do seu conversor dc-dc e regulador são a bomba de carga, o LDO e os circuitos de modo de interruptor baseado no indutor. A tabela resume as vantagens e desvantagens de cada um.

Notas de design

Para projetos discretos, os diodos Schottky são um must para comutação rápida e quedas de tensão mais baixas (0,2 a 0,4 V). Em termos de condensadores, electrolíticos ou tântalo podem ser utilizados para a comutação de baixa frequência. Contudo, a sua elevada resistência em série equivalente (ESR) torna o circuito menos eficiente.

Para projetos de CI, capacitores cerâmicos de montagem superficial de baixo ESR são essenciais para a melhor eficiência. Os tamanhos variam com a velocidade de comutação. Eletrolíticos ou tântalo não devem ser usados por causa de seu alto ESR. Alguns circuitos integrados também podem causar inversão de polaridade durante a operação e muitos causam danos. Siga as recomendações do fabricante do CI.