Az áramkörökben nagyon gyakori kihívás, hogy egy rendelkezésre álló egyenáramú forrást alacsonyabb vagy magasabb feszültségre kell átalakítani. A magasról alacsonyra történő átalakításhoz az egyik lehetőség egy alacsony kiesésű szabályozó (LDO) használata, de hogyan lehet egyszerűen átalakítani egy alacsonyabb feszültséget magasabbra?
Váltakozó feszültségek esetén a válasz jól ismert: használjunk transzformátort, ahogyan azt már jóval több mint 100 éve teszik. Azonban, mint azt még minden elsőéves villamosmérnök hallgató is tudja, egyenfeszültség esetén nem lehet transzformátort használni. A nyilvánvaló megközelítés tehát az, hogy a kisfeszültségű egyenáramot valamilyen oszcillátor segítségével “felaprózzuk”, a felaprózott, váltóáram-szerű hullámformát átvezetjük egy fokozó transzformátoron, majd egyenirányítjuk és szűrjük a szekunder oldali kimeneten. Ez a megközelítés nagyon sikeres lehet, és továbbfejlesztett változatai képezik a kapcsolóüzemű tápegységek alapját, amelyeket az egyenáramú forrás és a tápsín közötti feszültség növelésére (boost) és csökkentésére (buck) egyaránt használnak.
Melyek e megközelítés hátrányai?
A legfontosabb probléma a transzformátor szükségessége, amely egy induktív alkatrész, amely viszonylag nagy és költséges alkatrész az általa támogatott áramátalakító áramkör többi részéhez képest. Míg egyes teljesítmény-átalakítók valójában előnyben részesítik, sőt előírják a transzformátor használatát a benne rejlő galvanikus leválasztás miatt, ez az előny gyakran nem szükséges az alacsony feszültségű áramkörökben vagy a lokalizált aláramkörökben. A transzformátor alapú kialakítás teljesítménye és költségei jobban megfelelnek a DC/DC átalakítóknak körülbelül 1-5 A kimenet felett, de általában nem vonzó megoldás az alacsony tartományban, néhány száz mA alatt.
Mi a jobb alternatíva?
Az áramkörtervezők kifejlesztettek egy topológiát, az úgynevezett töltésszivattyút, amelyet valójában nehéz diszkrét alkatrészekkel megvalósítani, de nagyon IC-barát. A töltésszivattyú kondenzátorokat használ energiatároló elemként.
Ez a teljesítmény-átalakítási technika alapvető kivitelezésében az áram (töltés) váltakozva kapcsol és irányul két kondenzátor között, amelyek úgy vannak elrendezve, hogy az áramkör kimenete kétszerese a bemenetnek, és így feszültségduplázó boost átalakítóként működik. Emiatt a töltésszivattyús átalakítót kapcsolt kondenzátoros kialakításnak is nevezik.
Hogyan működik a töltésszivattyús feszültségduplázó?
Hogyan valósul meg ez a feszültségduplázó boost? Az egész egy alapvető fizikai alapelvvel kezdődik: a zárt áramkörben oda-vissza áramló töltés nem “vész el”, hanem a töltéstároló elemek közötti kapcsolással átvihető. A töltésszivattyús koncepcióban diódák használhatók az áramáramlás vezérlésére; a tényleges gyakorlatban a kapcsolók általában kapcsolt MOSFET-ek, a kondenzátorok pedig külső kerámia- vagy elektrolitikus eszközök, a szükséges kapacitás mennyiségétől függően.
A művelet, 1. ábra, egy kétlépcsős töltés-kisütési ciklus, amelyben a C1 kondenzátor feltöltődik, majd kisül a C2-be. Először az óra az inverter 1 kimenetét alacsonyra hajtja, így a D1 előrefelé előfeszített, így a C1 kondenzátor a +Vdc tápfeszültségre töltődik; a D2 is kikapcsol.
A következő lépésben az óra az inverter 1 kimenetét magasra hajtja, és a C1 töltése most sorban van az inverter 1 +Vdc-ével. Mivel az inverter 2 kimenete alacsony, a D2 előfeszítetté válik, és a C2 kétszeres Vdc-re töltődik. A terhelésen így látható feszültség 2 × Vdc, mínusz a diódák előremenő feszültségesése és az inverterek esetleges veszteségei.
A diszkrét alkatrészeket használó gyakorlati tervekben általában Schottky-diódákat használnak a hagyományos diódák helyett, mivel azok alacsonyabb előremenő feszültségesése miatt. Az IC-alapú töltőszivattyúk azonban nem használnak diódákat; ehelyett alacsony RDS(ON) bekapcsolási ellenállású MOSFET-kapcsolókat használnak. A töltőszivattyúk hatásfoka meglehetősen magas, 90-95% közötti.
A 2. rész a töltőszivattyúk néhány további szempontját vizsgálja, beleértve a kondenzátoraikat, a nem duplázódó változásokat, a belső és külső órajeleket, a szűrést és szabályozást, valamint a beágyazott töltőszivattyúkat.
