Je to velmi častý problém v obvodech, kde je třeba převést dostupný zdroj stejnosměrného napětí na nižší nebo vyšší napětí. Pro převod z vysokého na nízké napětí je jednou z možností použít regulátor s nízkým úbytkem napětí (LDO), ale jak snadno přeměnit nižší napětí na vyšší?“
Pro střídavá napětí je odpověď dobře známá: použít transformátor, jak se to dělá už více než 100 let. Přesto, jak ví i každý student prvního ročníku elektrotechniky, u stejnosměrného napětí transformátor použít nelze. Zřejmým přístupem je tedy „sekání“ stejnosměrného proudu o nízkém napětí pomocí nějakého oscilátoru, průchod sečeného, střídavému proudu podobného průběhu přes zvyšovací transformátor a jeho usměrnění a filtrace na výstupu sekundární strany. Tento přístup může být velmi úspěšný a jeho vylepšené verze jsou základem spínaných napájecích zdrojů, které se používají jak ke zvyšování (boost), tak ke snižování (buck) napětí mezi zdrojem stejnosměrného proudu a napájecí lištou.
Jaké jsou nevýhody tohoto přístupu?
Klíčovým problémem je potřeba transformátoru, což je indukční součástka, která je relativně velká a nákladná ve srovnání se zbytkem obvodů pro konverzi energie, které podporuje. Zatímco některé výkonové měniče ve skutečnosti preferují nebo dokonce předepisují transformátor kvůli vlastnímu galvanickému oddělení, které poskytuje, v nízkonapěťových obvodech nebo lokalizovaných dílčích obvodech tato výhoda často není potřeba. Konstrukce založená na transformátoru je svým výkonem a náklady vhodnější pro DC/DC měniče s výstupem nad přibližně 1 až 5 A, ale obecně není atraktivním řešením na nízkém konci pod několika stovkami mA.
Jaká je lepší alternativa?
Konstruktéři obvodů vyvinuli topologii zvanou nábojová pumpa, kterou je ve skutečnosti obtížné realizovat s diskrétními součástkami, ale je velmi přívětivá k integrovaným obvodům. Nábojová pumpa používá kondenzátory jako prvek pro ukládání energie.
V základním provedení této techniky přeměny energie je proud (náboj) střídavě přepínán a směrován mezi dvěma kondenzátory uspořádanými tak, že výstup obvodu je dvakrát větší než vstup, a funguje tedy jako měnič zvyšující napětí. Z těchto důvodů je měnič s nábojovou pumpou známý také jako konstrukce se spínanými kondenzátory.
Jak funguje měnič napětí s nábojovou pumpou
Jak se toto zdvojnásobení napětí provádí? Vše začíná základním fyzikálním principem: náboj proudící tam a zpět v uzavřeném obvodu se „neztrácí“, ale může být přenášen přepínáním mezi prvky uchovávajícími náboj. V koncepci nábojové pumpy lze k řízení toku proudu použít diody; ve skutečné praxi jsou spínači obvykle spínané tranzistory MOSFET a kondenzátory jsou externí keramická nebo elektrolytická zařízení v závislosti na velikosti potřebné kapacity.
Provoz, obr. 1, je dvoustupňový cyklus nabíjení a vybíjení, kdy se kondenzátor C1 nabíjí a poté vybíjí do C2. Nejprve hodiny řídí výstup měniče 1 nízko, takže D1 je v předpětí, čímž se kondenzátor C1 nabíjí na napájecí napětí +Vdc; také D2 je vypnutý.
Následující hodiny řídí výstup měniče 1 vysoko, a náboj na C1 je nyní v sérii s +Vdc z měniče 1. Obr. 1: nakreslil autor
. Protože výstup střídače 2 je nízký, D2 se stane předpólovým a C2 se nabije na dvojnásobek Vdc. Napětí na zátěži je tedy 2 × Vdc, po odečtení úbytků napětí na diodách v přímém směru a případných ztrát v měničích.
V praktických konstrukcích s použitím diskrétních součástek se místo běžných diod obvykle používají Schottkyho diody, protože mají menší úbytek napětí v přímém směru. Nabíjecí čerpadla na bázi integrovaných obvodů však diody nepoužívají; místo toho používají spínače MOSFET s nízkým zapínacím odporem RDS(ON). Účinnost nábojových pump je poměrně vysoká, pohybuje se v rozmezí 90 až 95 %.
Část 2 se zabývá některými dalšími aspekty nábojových pump, včetně jejich kondenzátorů, nezdvojených variant, interních a externích hodin, filtrace a regulace a vestavěných nábojových pump.
Mohlo by vás také zajímat:
.