È una sfida molto comune nei circuiti la necessità di convertire una sorgente DC disponibile in una tensione inferiore o superiore. Per la conversione da alta a bassa, si può usare un regolatore a basso dropout (LDO), ma come trasformare facilmente una tensione più bassa in una più alta?
Per le tensioni AC, la risposta è ben nota: usare un trasformatore, come è stato fatto per ben oltre 100 anni. Tuttavia, come anche ogni studente di ingegneria elettrica del primo anno sa, non si può usare un trasformatore con la corrente continua. L’approccio più ovvio, quindi, è quello di “tagliare” la corrente continua a bassa tensione usando un oscillatore di qualche tipo, passare la forma d’onda tagliata, simile alla corrente alternata, attraverso un trasformatore step-up, e poi rettificarla e filtrarla all’uscita secondaria. Questo approccio può avere molto successo, e versioni migliorate di esso sono la base per gli alimentatori a commutazione, usati per aumentare (boost) e diminuire (buck) la tensione tra una sorgente DC e una linea di alimentazione.
Quali sono gli svantaggi di questo approccio?
La questione chiave è la necessità del trasformatore, un componente induttivo che è un componente relativamente grande e costoso rispetto al resto del circuito di conversione di potenza che supporta. Mentre alcuni convertitori di potenza preferiscono o addirittura impongono un trasformatore a causa dell’isolamento galvanico intrinseco che fornisce, questo beneficio spesso non è necessario nei circuiti a bassa tensione o nei sottocircuiti localizzati. Le prestazioni e i costi di un progetto basato su un trasformatore sono più adatti per i convertitori DC/DC al di sopra di circa 1-5 A di uscita, ma generalmente non è una soluzione attraente nella fascia bassa sotto qualche centinaio di mA.
Qual è l’alternativa migliore?
I progettisti di circuiti hanno sviluppato una topologia chiamata pompa di carica, che è effettivamente difficile da implementare con componenti discreti, ma è molto IC-friendly. La pompa di carica usa i condensatori come elemento di immagazzinamento dell’energia.
Nell’esecuzione di base di questa tecnica di conversione di potenza, la corrente (carica) è commutata e diretta alternativamente tra due condensatori disposti in modo che l’uscita del circuito sia il doppio dell’ingresso, e quindi funziona come un convertitore boost che raddoppia la tensione. Per queste ragioni, il convertitore a pompa di carica è anche conosciuto come un progetto a condensatori commutati.
Come funziona il convertitore di tensione a pompa di carica?
Come si realizza questo aumento di tensione? Tutto inizia con un principio fondamentale della fisica: la carica che scorre avanti e indietro in un circuito chiuso non viene “persa”, ma può essere trasferita attraverso la commutazione tra elementi di accumulo della carica. In un concetto di pompa di carica, i diodi possono essere usati per controllare il flusso di corrente; nella pratica, gli interruttori sono di solito MOSFET commutati, e i condensatori sono dispositivi esterni ceramici o elettrolitici a seconda della quantità di capacità necessaria.
Il funzionamento, Figura 1, è un ciclo di carica-scarica in due fasi dove il condensatore C1 si carica, poi si scarica in C2. In primo luogo, l’orologio pilota l’uscita dell’inverter 1 bassa, quindi D1 è forward-biased, caricando così il condensatore C1 alla tensione di alimentazione +Vdc; inoltre, D2 è spento.
In seguito, l’orologio pilota l’uscita dell’inverter 1 alta, e la carica su C1 è ora in serie con +Vdc dall’inverter 1. Poiché l’uscita dell’inverter 2 è bassa, D2 diventa forward-biased e C2 si carica a due volte Vdc. La tensione così vista attraverso il carico è 2 × Vdc, meno le cadute di tensione in avanti dei diodi e qualsiasi perdita negli inverter.
Nei progetti pratici che utilizzano componenti discreti, i diodi Schottky sono solitamente utilizzati al posto dei diodi convenzionali a causa della loro caduta di tensione in avanti inferiore. Tuttavia, le pompe di carica basate su IC non usano diodi; invece, usano interruttori MOSFET con bassa resistenza di accensione RDS(ON). L’efficienza della pompa di carica è abbastanza alta, nell’intervallo tra il 90 e il 95%.
La seconda parte esamina alcuni aspetti aggiuntivi delle pompe di carica, compresi i loro condensatori, le variazioni di non raddoppio, gli orologi interni ed esterni, il filtraggio e la regolazione, e le pompe di carica incorporate.
