Det er en meget almindelig udfordring i kredsløb at skulle konvertere en tilgængelig jævnstrømskilde til en lavere eller højere spænding. Til konvertering fra høj til lav er en mulighed at bruge en LDO (Low Dropout regulator), men hvordan kan man nemt omdanne en lavere spænding til en højere?
For vekselspændinger er svaret velkendt: Brug en transformer, som det har været gjort i langt over 100 år. Men som selv enhver elektroteknikstuderende på første år ved, kan man ikke bruge en transformer til jævnstrøm. Den indlysende fremgangsmåde er derfor at “hugge” lavspændingsdækningen ved hjælp af en oscillator af en art, lade den huggede, vekselstrømslignende bølgeform passere gennem en optrapningstransformator og derefter ensrette og filtrere den ved udgangen på sekundærsiden. Denne fremgangsmåde kan være meget vellykket, og forbedrede versioner af den er grundlaget for switching power supplies, der bruges til både at øge (boost) og sænke (buck) spændingen mellem en DC-kilde og en forsyningsskinne.
Hvad er ulemperne ved denne fremgangsmåde?
Det vigtigste problem er behovet for transformeren, en induktiv komponent, som er en relativt stor og dyr komponent sammenlignet med resten af det strømkonverterende kredsløb, som den understøtter. Mens nogle strømomformere faktisk foretrækker eller endog kræver en transformer på grund af den iboende galvaniske isolation, som den giver, er denne fordel ofte ikke nødvendig i lavspændingskredsløb eller lokaliserede underkredsløb. Et transformerbaseret designs ydeevne og omkostninger er mere velegnet til DC/DC-konvertere over ca. 1 til 5 A udgang, men det er generelt ikke en attraktiv løsning i den lave ende under et par hundrede mA.
Hvad er det bedre alternativ?
Kredsløbsdesignere har udviklet en topologi kaldet ladningspumpen, som faktisk er vanskelig at implementere med diskrete komponenter, men som er meget IC-venlig. Ladningspumpen anvender kondensatorer som energilagringselement.
I den grundlæggende udførelse af denne strømkonverteringsteknik skiftes og ledes strømmen (ladning) skiftevis mellem to kondensatorer, der er anbragt således, at kredsløbsudgangen er dobbelt så stor som indgangen, og således fungerer som en spændingsfordoblende boost-konverter. Af disse grunde er ladningspumpekonverteren også kendt som en switched-capacitor-konstruktion.
Hvordan fungerer ladningspumpespændingsfordobleren?
Hvordan opnås denne spændingsfordoblingsforstærkningsforbedring? Det hele starter med et grundlæggende fysikprincip: ladning, der flyder frem og tilbage i et lukket kredsløb, går ikke “tabt”, men kan i stedet overføres via skift mellem ladningslagringselementer. I et ladningspumpekoncept kan dioder anvendes til at styre strømmen; i praksis er der normalt tale om switchs af MOSFET’er, og kondensatorerne er eksterne keramiske eller elektrolytiske enheder, afhængigt af den nødvendige kapacitans.
Driften, figur 1, er en to-trins ladnings- og afladningscyklus, hvor kondensator C1 oplades og derefter aflades til C2. Først driver uret udgangen af inverter 1 lavt, så D1 er forward-biased, hvorved kondensator C1 oplades til forsyningsspændingen +Vdc; D2 er også slukket.
Næst driver uret udgangen af inverter 1 højt, og ladningen på C1 er nu i serie med +Vdc fra inverter 1. Da udgangen af inverter 2 er lav, bliver D2 forward-biased, og C2 oplades til to gange Vdc. Den spænding, der således ses over belastningen, er 2 × Vdc, minus diodens fremadrettede spændingsfald og eventuelle tab i inverterne.
I praktiske konstruktioner med diskrete komponenter anvendes Schottky-dioder normalt i stedet for konventionelle dioder på grund af deres lavere fremadrettede spændingsfald. IC-baserede ladningspumper anvender imidlertid ikke dioder; de anvender i stedet MOSFET-switche med lav on-modstand RDS(ON). Ladningspumpens effektivitet er ret høj og ligger i intervallet 90-95 %.
Del 2 ser på nogle yderligere aspekter af ladningspumper, herunder deres kondensatorer, variationer uden fordobling, interne og eksterne ure, filtrering og regulering samt indlejrede ladningspumper.
