Ladda ner den här artikeln i PDF-format

En laddningspump är en typ av strömförsörjningskrets (SMPS) som används som en likströmsomvandlare eller regulator med lämplig återkopplingskontroll. Laddningspumpen förbises ofta när man överväger en ny konstruktion som kräver dessa kretsar. På grund av dess enkelhet och andra fördelar kan laddningspumpen vara ett bättre val än att använda en linjär regulator med låg utfällning (LDO) eller en switch-mode-regulator som använder en induktor. I din nästa konstruktion kan du överväga denna klassiska krets och dess fördelar.

Laddningspumpens grunder

Den grundläggande laddningspumpkretsen är en switch-mode dc-dc-omvandlare som ofta behövs i konstruktioner som kräver mer än en dc-försörjningsspänning. Den består av brytare och kondensatorer. Brytarna är vanligtvis dioder i diskreta konstruktioner, men är också MOSFETs i IC-versioner. Kondensatorerna är elektrolytiska eller keramiska beroende på växlingshastigheten. Det behövs ingen induktor.

1. Den grundläggande spänningsdubblerkonfigurationen är den vanligaste laddningspumpkretsen.

Figur 1 visar den grundläggande laddningspumpen som är ansluten som en spänningsdubbler. Verksamheten är en laddnings- och urladdningscykel i två steg där den ”flygande” kondensatorn C1 laddas och sedan urladdas i C2. När klockan driver inverter 1:s utgång lågt, är D1 framåtriktat och laddar C1 till V dc. D2 är avstängd vid denna tidpunkt. Därefter driver klockan utgången av inverter 1 högt till V dc.

Figur 2 visar några exempel på diskreta laddningspumpar med hjälp av den populära 555 timer IC. Figur 2a är en spänningsdubbler. 555-timern fungerar som en astabil multivibrator med en frekvens som ställs in av R1, R2 och C1. Den rektangulära vågutgången vid stift 3 växlar från +5 V till nära jord. När stift 3 är låg laddar C3 genom D1 till +5 V. När stift 3 går till +5 V leder D2 och kopplar +5 V från timern i serie med +5 V på C1, vilket laddar C4. Utgången är +10 V, minus diodens droppar. laddningen på C1 är nu i serie med V dc från inverter 1. Utgången från inverter 2 är låg, så D2 är framåtriktat och C2 laddar till 2 V dc. Utgången över belastningen är 2 V dc, minus diodens framåtfall och eventuella förluster i växelriktarna. Schottkydioder är att föredra på grund av de lägre framspänningsfallen och de höga växlingshastigheterna. Klockhastigheterna kan ligga i intervallet 10 kHz till 2 MHz. Om fler diod- och kondensatorsegment läggs till kan spänningen tre- eller fyrdubblas (eller ännu högre).

2. Den populära 555 timer IC:n kan anslutas som en spänningsdubbler (a) eller en spänningsinverterare (b).

Laddningspumpen kan konfigureras som en spänningsinverterare, vilket framgår av figur 2b. Med stift 3 laddar +5-V C3-kondensatorn genom D1. När stift 3 går till jord, är D2 framåtriktat och C3 urladdas i C4. Här omvandlas +5 V-försörjningen till en utgång på cirka -5 V, minus diodfallet. En sådan inverterkrets är användbar när det finns ett behov av en negativ försörjning. Ett exempel är när plus- och minusförsörjning behövs för en op-förstärkare.

Alla laddningspumpar är någon blandning av brytare och kondensatorer. De flesta integrerade laddningspumpar använder MOSFET-switchar med ett lågt on- motstånd och en integrerad klocka. Kondensatorerna är alltid externa till IC:n så att typ och storlek kan väljas beroende på klockfrekvens och krav på krusning. Kretsen kan vara reglerad eller inte.

Figur 3 visar några vanliga konfigurationer som används i integrerade laddningspumpar. Växlarna är MOSFETs – växlarna S2 och S3 växlar tillsammans, liksom S1 och S4. Den interna oscillatorn driver switcharna.

3. En vanlig IC-laddningspump är konfigurerad med interna MOSFET-omkopplare och externa kondensatorer och reglering (a). Här visas en spänningsinverterande laddningspump IC-krets (b).

Figur 3a visar den klassiska spänningsdubblarkonfigurationen. Med S2 och S3 stängda och S1 och S4 öppna laddar den ”flygande” kondensatorn C1 till ingångsspänningen V dc. Under nästa halva av cykeln öppnas S2 och S3 medan S1 och S4 är stängda. C1 kopplas i serie med ingångsspänningen och kombinationen laddar C2. Utgången är 2 V dc, minus MOSFET-dropparna. Notera återkopplingsspänningsdelaren som ger regleringen.

En inverterande version visas i fig. 3b. Med S2 och S3 stängda och S1 och S4 öppna laddar den ”flygande” kondensatorn C1 till ingångsspänningen V dc. Under nästa halva av cykeln är S1 och S3 öppna medan S2 och S4 är stängda. C1 urladdas i C2. Med den övre änden av C2 jordad är utgången i den andra änden -V dc.

Typiska tillämpningar

Laddningspumpar är idealiska för konstruktioner som använder en större, huvudsaklig enkelspänningsströmförsörjning som levererar det mesta av strömmen men som kräver hjälpspänningskällor med lägre strömstyrka. Idag kräver många integrerade kretsar och komponenter flera spänningar. Dessa kan ofta genereras med en laddningspump.

Ett klassiskt exempel är laddningspump-IC:n MAX232 som genererade de ±3- till 25-V-försörjningar som krävdes för att driva de populära linjedrivnings- och mottagar-IC:erna för det seriella RS-232-gränssnittet från en 5-V-försörjning. Ett annat exempel gäller behovet av att driva en USB-transceiver från en batteriförsörjning med lägre spänning. TFT-LCD-försörjningen utgör ytterligare ett exempel.

Vissa mikroprocessorer kräver en extra försörjning, liksom många EEPROMs och flashminnen. De flesta använder laddningspumpar på chipet för att tillhandahålla dessa extra spänningar.

Fördelar och nackdelar med laddningspumpar

En laddningspump har några viktiga fördelar jämfört med andra större typer av likströmsomvandlare och regulatorer:

– Enkelhet.

– Låg kostnad. Färre komponenter. Ingen induktor.

– Mindre utrymme på kretskortet. Ingen induktor. Mindre höjd.

– Högre verkningsgrad än linjär. Uppskattningsvis 20 % förbättring.

– Finns i bock-, boost- och inverterande konfigurationer.

– Flera IC-leverantörer.

Inget är perfekt för alla konstruktioner men nackdelarna med laddningspumpar är få:

– Bäst för små laster (

– Elektromagnetisk störning (EMI). Det är fortfarande en switch-mode-krets, så den genererar viss EMI.

– Mindre effektiv än induktorbaserade konstruktioner.

Vid utformning av en produkt är dina valmöjligheter när det gäller likströmsomvandlare och regulatorer laddningspump, LDO och induktorbaserade switch-mode-kretsar. Tabellen sammanfattar fördelarna och nackdelarna med var och en av dem.

Design Notes

För diskreta konstruktioner är Schottkydioder ett måste för snabb omkoppling och lägre spänningsfall (0,2 till 0,4 V). När det gäller kondensatorer kan elektrolytiska eller tantal användas för lägre frekvensomkoppling. Deras höga ekvivalenta seriemotstånd (ESR) gör dock kretsen mindre effektiv.

För IC-konstruktioner är ytmonterade keramiska kondensatorer med låg ESR avgörande för bästa effektivitet. Storlekarna varierar med växlingshastigheterna. Elektrolytiska kondensatorer eller tantalkondensatorer bör inte användas på grund av deras höga ESR. Vissa IC:er kan också orsaka polaritetsomvändning under drift och många orsakar skador. Följ rekommendationerna från IC-tillverkaren.