Het is een veel voorkomende uitdaging in schakelingen om een beschikbare gelijkspanningsbron om te zetten naar een lagere of hogere spanning. Voor de omzetting van hoog naar laag kan een LDO (low dropout regulator) worden gebruikt, maar hoe kan een lagere spanning gemakkelijk in een hogere worden omgezet?
Voor wisselspanningen is het antwoord bekend: gebruik een transformator, zoals al meer dan 100 jaar wordt gedaan. Maar zoals zelfs elke eerstejaars student elektrotechniek weet, kun je geen transformator gebruiken voor gelijkspanning. De voor de hand liggende aanpak is dan om de laagspanningsgelijkstroom te “choppen” met behulp van een of andere oscillator, de gehakte, wisselstroom-achtige golfvorm door een step-up transformator te sturen, en dan aan de secundaire uitgang te rectificeren en te filteren. Deze aanpak kan zeer succesvol zijn, en verbeterde versies ervan vormen de basis voor schakelende voedingen, die worden gebruikt om zowel de spanning tussen een gelijkstroombron en een voedingsrail te verhogen (boost) als te verlagen (buck).
Wat zijn de nadelen van deze aanpak?
Het belangrijkste punt is de noodzaak van de transformator, een inductieve component die een relatief groot en duur onderdeel is in vergelijking met de rest van de stroomomzettingsschakelingen die hij ondersteunt. Terwijl sommige machtsomzetters eigenlijk een transformator verkiezen of zelfs verplichten wegens de inherente galvanische isolatie die het verstrekt, is dat voordeel vaak niet nodig in laag-voltage kringen of gelokaliseerde subschakelingen. De prestaties en kosten van een transformatorgebaseerd ontwerp zijn meer geschikt voor DC/DC-converters boven ongeveer 1 tot 5 A output, maar het is over het algemeen geen aantrekkelijke oplossing aan de lage kant onder een paar honderd mA.
Wat is het betere alternatief?
Circuitontwerpers hebben een topologie ontwikkeld die de laadpomp wordt genoemd, die eigenlijk moeilijk te implementeren is met discrete componenten, maar zeer IC-vriendelijk is. De laadpomp gebruikt condensatoren als energie-opslagelement.
In de basisuitvoering van deze stroom-omzettingstechniek wordt stroom (lading) afwisselend geschakeld en geleid tussen twee condensatoren die zo zijn opgesteld dat de uitgang van het circuit tweemaal de ingang is, en dus functioneert als een voltage-verdubbelende boost-converter. Om deze redenen wordt de laad-pomp convertor ook wel een switched-capacitor design genoemd.
Hoe werkt de laad-pomp spanningsverdubbelaar?
Hoe wordt deze spanningsverdubbeling boost bereikt? Het begint allemaal met een fundamenteel principe van de fysica: lading heen en weer stromend in een gesloten circuit is niet “verloren,” maar in plaats daarvan kan worden overgedragen via schakelen tussen charge-storage elementen. In een laadpomp-concept kunnen diodes worden gebruikt om de stroom te regelen; in de praktijk zijn de schakelaars meestal geschakelde MOSFET’s, en de condensatoren zijn externe keramische of elektrolytische apparaten, afhankelijk van de benodigde capaciteit.
De werking, figuur 1, is een laad-ontlaadcyclus in twee stappen waarbij condensator C1 zich oplaadt en vervolgens ontlaadt in C2. Eerst stuurt de klok de uitgang van omvormer 1 laag, zodat D1 in voorwaartse richting geschakeld is en zo condensator C1 oplaadt tot de voedingsspanning +Vdc; ook is D2 uitgeschakeld.
Na de klok wordt de uitgang van omvormer 1 hoog gestuurd, en de lading op C1 staat nu in serie met +Vdc van omvormer 1. Aangezien de uitgang van omvormer 2 laag is, wordt D2 doorgeschakeld en laadt C2 zich op tot tweemaal Vdc. De spanning over de belasting is dus 2 × Vdc, minus de diode-voorwaartse spanningsval en eventuele verliezen in de inverters.
In praktische ontwerpen met discrete componenten worden meestal Schottky-diodes gebruikt in plaats van conventionele diodes vanwege hun lagere voorwaartse spanningsval. Laadpompen op IC-basis maken echter geen gebruik van diodes, maar van MOSFET-schakelaars met een lage aan-weerstand RDS(ON). Het rendement van laadpompen is vrij hoog, in het bereik van 90 tot 95%.
Deel 2 gaat in op enkele aanvullende aspecten van laadpompen, waaronder hun condensatoren, niet-verdubbelende variaties, interne en externe klokken, filtering en regeling, en ingebedde laadpompen.
