Es ist eine sehr häufige Herausforderung in Schaltungen, eine verfügbare Gleichstromquelle in eine niedrigere oder höhere Spannung umzuwandeln. Für die Umwandlung von einer hohen in eine niedrige Spannung kann man einen Low-Dropout-Regler (LDO) verwenden, aber wie kann man auf einfache Weise eine niedrigere Spannung in eine höhere umwandeln?
Für Wechselspannungen ist die Antwort bekannt: man verwendet einen Transformator, wie es schon seit über 100 Jahren gemacht wird. Doch wie selbst jeder Student der Elektrotechnik im ersten Semester weiß, kann man bei Gleichstrom keinen Transformator verwenden. Der nahe liegende Ansatz besteht also darin, die Niederspannungsgleichspannung mit einem Oszillator zu „zerhacken“, die zerhackte, wechselstromähnliche Wellenform durch einen Aufwärtstransformator zu leiten und sie dann am sekundärseitigen Ausgang gleichzurichten und zu filtern. Dieser Ansatz kann sehr erfolgreich sein, und verbesserte Versionen davon sind die Grundlage für Schaltnetzteile, die sowohl zum Erhöhen (Boost) als auch zum Senken (Buck) der Spannung zwischen einer Gleichstromquelle und einer Versorgungsschiene verwendet werden.
Was sind die Nachteile dieses Ansatzes?
Das Hauptproblem ist die Notwendigkeit des Transformators, eines induktiven Bauteils, das im Vergleich zum restlichen Stromwandlerschaltkreis, den es unterstützt, ein relativ großes und teures Bauteil ist. Einige Leistungswandler bevorzugen einen Transformator oder schreiben ihn sogar vor, weil er eine galvanische Isolierung bietet, doch ist dieser Vorteil bei Niederspannungsschaltungen oder lokalen Teilschaltungen oft nicht erforderlich. Die Leistung und die Kosten eines transformatorbasierten Designs eignen sich besser für DC/DC-Wandler mit einer Ausgangsleistung von mehr als 1 bis 5 A, sind aber im Allgemeinen keine attraktive Lösung im unteren Bereich unter einigen hundert mA.
Was ist die bessere Alternative?
Schaltungsentwickler haben eine Topologie entwickelt, die als Ladungspumpe bezeichnet wird und mit diskreten Komponenten nur schwer zu implementieren ist, aber sehr IC-freundlich ist. Bei der Ladungspumpe werden Kondensatoren als Energiespeicher verwendet.
In der grundlegenden Ausführung dieser Leistungsumwandlungstechnik wird der Strom (Ladung) abwechselnd zwischen zwei Kondensatoren geschaltet und geleitet, die so angeordnet sind, dass der Ausgang der Schaltung doppelt so groß ist wie der Eingang, und somit als spannungsverdoppelnder Aufwärtswandler funktioniert. Aus diesem Grund wird der Ladungspumpenwandler auch als Switched-Capacitor-Design bezeichnet.
Wie funktioniert der Ladungspumpen-Spannungsverdoppler?
Wie wird diese Spannungsverdopplung erreicht? Alles beginnt mit einem grundlegenden physikalischen Prinzip: Ladung, die in einem geschlossenen Stromkreis hin und her fließt, geht nicht „verloren“, sondern kann durch Umschalten zwischen den Ladungsspeicherelementen übertragen werden. In einem Ladungspumpenkonzept können Dioden verwendet werden, um den Stromfluss zu steuern; in der Praxis sind die Schalter in der Regel geschaltete MOSFETs, und die Kondensatoren sind externe keramische oder elektrolytische Bauelemente, je nach benötigter Kapazität.
Der Betrieb, Abbildung 1, ist ein zweistufiger Lade-Entlade-Zyklus, bei dem sich der Kondensator C1 auflädt und dann in C2 entlädt. Zunächst treibt der Taktgeber den Ausgang von Wechselrichter 1 auf einen niedrigen Wert, so dass D1 in Durchlassrichtung vorgespannt ist und den Kondensator C1 auf die Versorgungsspannung +Vdc auflädt; außerdem ist D2 ausgeschaltet.
Nächste Stufe treibt der Taktgeber den Ausgang von Wechselrichter 1 auf einen hohen Wert, und die Ladung von C1 befindet sich nun in Reihe mit +Vdc von Wechselrichter 1. Da der Ausgang von Wechselrichter 2 niedrig ist, wird D2 in Durchlassrichtung vorgespannt und C2 lädt sich auf zwei Vdc auf. Die an der Last anliegende Spannung beträgt somit 2 × Vdc, abzüglich der Durchlassspannungsabfälle der Dioden und etwaiger Verluste in den Wechselrichtern.
In praktischen Entwürfen mit diskreten Bauelementen werden wegen ihres geringeren Durchlassspannungsabfalls in der Regel Schottky-Dioden anstelle herkömmlicher Dioden verwendet. IC-basierte Ladepumpen verwenden jedoch keine Dioden, sondern MOSFET-Schalter mit niedrigem Durchlasswiderstand RDS(ON). Der Wirkungsgrad von Ladungspumpen ist recht hoch und liegt zwischen 90 und 95 %.
Teil 2 befasst sich mit einigen zusätzlichen Aspekten von Ladungspumpen, einschließlich ihrer Kondensatoren, nicht verdoppelnden Variationen, internen und externen Taktgebern, Filterung und Regelung sowie eingebetteten Ladungspumpen.
