Se on hyvin yleinen haaste piireissä, että käytettävissä oleva tasavirtalähde on muunnettava pienemmäksi tai suuremmaksi jännitteeksi. Korkean muuntamiseen matalaksi on yksi vaihtoehto käyttää LDO-säädintä (LDO, low dropout regulator), mutta miten alempi jännite muunnetaan helposti korkeammaksi?
Vaihtovirtajännitteille vastaus on tunnettu: käytä muuntajaa, kuten on tehty jo reilusti yli 100 vuotta. Kuitenkin, kuten jopa jokainen ensimmäisen vuoden sähkötekniikan opiskelija tietää, tasavirralla ei voi käyttää muuntajaa. Ilmeinen lähestymistapa on siis ”pilkkoa” matalajännitteinen tasajännite jonkinlaisella oskillaattorilla, siirtää pilkottu, vaihtovirran kaltainen aaltomuoto ylösnostomuuntajan läpi ja sitten tasasuuntaa ja suodattaa se toisiopuolen ulostulossa. Tämä lähestymistapa voi olla hyvin menestyksekäs, ja sen parannetut versiot ovat perustana kytkentävirtalähteille, joita käytetään sekä lisäämään (boost) että vähentämään (buck) jännitettä tasavirtalähteen ja syöttökiskon välillä.
Mitkä ovat tämän lähestymistavan haitat?
Keskeinen ongelma on muuntajan tarve, induktiivinen komponentti, joka on suhteellisen suuri ja kallis komponentti verrattuna muuhun tehonmuuntopiirin piiriin, jota se tukee. Vaikka jotkut tehomuuntimet itse asiassa suosivat tai jopa vaativat muuntajaa sen tarjoaman luontaisen galvaanisen eristyksen vuoksi, tätä etua ei useinkaan tarvita pienjännitepiireissä tai paikallisissa alipiireissä. Muuntajaan perustuvan suunnittelun suorituskyky ja kustannukset sopivat paremmin DC/DC-muuntimiin, joiden teho on yli noin 1-5 A, mutta se ei yleensä ole houkutteleva ratkaisu matalassa päässä alle muutaman sadan mA:n teholla.
Mikä on parempi vaihtoehto?
Piirisuunnittelijat ovat kehittäneet latauspumpuksi kutsutun topologian, joka on itse asiassa hankala toteuttaa diskreeteillä komponenteilla, mutta se on hyvin IC-ystävällinen. Latauspumppu käyttää kondensaattoreita energian varastointielementtinä.
Tämän tehomuunnostekniikan perustoteutuksessa virta (lataus) kytketään ja ohjataan vuorotellen kahden kondensaattorin välille, jotka on järjestetty siten, että piirin ulostulo on kaksi kertaa suurempi kuin sisääntulo, ja näin ollen se toimii jännitettä kaksinkertaistavana boost-muuntimena. Näistä syistä latauspumppumuunnin tunnetaan myös nimellä kytketty kondensaattorirakenne.
Miten latauspumpun jännitteen kaksinkertaistaminen toimii?
Miten tämä jännitteen kaksinkertaistaminen tapahtuu? Kaikki alkaa fysiikan perusperiaatteesta: suljetussa piirissä edestakaisin virtaava varaus ei ”häviä”, vaan sitä voidaan siirtää vaihtamalla varausta varastoivien elementtien välillä. Latauspumppu-konseptissa voidaan käyttää diodeja ohjaamaan virran kulkua; todellisessa käytännössä kytkimet ovat yleensä kytkettyjä MOSFET:iä, ja kondensaattorit ovat ulkoisia keraamisia tai elektrolyyttisiä laitteita riippuen tarvittavasta kapasitanssin määrästä.
Toiminta, kuva 1, on kaksivaiheinen lataus-purkaussykli, jossa kondensaattori C1 latautuu ja purkautuu sitten C2:een. Ensin kello ohjaa invertteri 1:n ulostuloa matalalle, joten D1 on eteenpäin suunnattu, jolloin kondensaattori C1 latautuu syöttöjännitteeseen +Vdc; myös D2 on pois päältä.
Jatkossa kello ohjaa invertteri 1:n ulostuloa korkealle, jolloin C1:n varaus on nyt sarjassa invertteri 1:stä tulevan +Vdc:n kanssa. Kun invertteri 2:n lähtö on matala, D2:sta tulee eteenpäin jännitetty ja C2 latautuu kaksinkertaiseen Vdc:hen. Kuorman yli näkyvä jännite on siten 2 × Vdc, josta on vähennetty diodien eteenpäinvaihtojännitehäviöt ja mahdolliset inverttereiden häviöt.
Käytännön suunnittelussa, jossa käytetään diskreettejä komponentteja, käytetään tavallisten diodien sijasta tavallisesti Schottkyn diodeja niiden pienemmän eteenpäinvaihtojännitehäviön vuoksi. IC-pohjaisissa latauspumpuissa ei kuitenkaan käytetä diodeja; sen sijaan niissä käytetään MOSFET-kytkimiä, joilla on alhainen kytkentävastus RDS(ON). Latauspumpun hyötysuhde on melko korkea, välillä 90-95 %.
Luvussa 2 tarkastellaan joitakin muita latauspumppujen näkökohtia, mukaan lukien niiden kondensaattorit, ei-kaksinkertaistuvat muunnokset, sisäiset ja ulkoiset kellot, suodatus ja säätö sekä sulautetut latauspumput.
