Bardzo częstym wyzwaniem w obwodach jest potrzeba przekształcenia dostępnego źródła prądu stałego na niższe lub wyższe napięcie. Dla konwersji z wysokiego na niskie, jedną z opcji jest użycie regulatora o niskim spadku (LDO), ale jak łatwo przekształcić niższe napięcie na wyższe?
Dla napięć zmiennych, odpowiedź jest dobrze znana: użyj transformatora, jak to się robi od ponad 100 lat. Jednak, jak wie nawet każdy student pierwszego roku elektrotechniki, nie można użyć transformatora do prądu stałego. Oczywistym podejściem jest więc „posiekanie” niskiego napięcia stałego za pomocą jakiegoś oscylatora, przepuszczenie posiekanej, podobnej do prądu zmiennego fali przez transformator step-up, a następnie wyprostowanie i przefiltrowanie jej na wyjściu po stronie wtórnej. To podejście może być bardzo udane, a jego ulepszone wersje są podstawą dla zasilaczy impulsowych, używanych zarówno do zwiększania (boost), jak i zmniejszania (buck) napięcia pomiędzy źródłem prądu stałego a szyną zasilającą.
Jakie są wady tego podejścia?
Kluczową kwestią jest potrzeba transformatora, elementu indukcyjnego, który jest stosunkowo dużym i kosztownym elementem w porównaniu do reszty obwodów konwersji mocy, które obsługuje. Podczas gdy niektóre konwertery mocy faktycznie preferują lub nawet nakazują stosowanie transformatora ze względu na nieodłączną izolację galwaniczną jaką zapewnia, ta korzyść często nie jest potrzebna w obwodach niskiego napięcia lub zlokalizowanych podukładach. Wydajność i koszt projektu opartego na transformatorze są bardziej odpowiednie dla konwerterów DC/DC powyżej 1 do 5 A na wyjściu, ale generalnie nie jest to atrakcyjne rozwiązanie na niskim poziomie poniżej kilkuset mA.
Jaka jest lepsza alternatywa?
Projektanci obwodów opracowali topologię zwaną pompą ładunkową, która jest w rzeczywistości trudna do wdrożenia z elementami dyskretnymi, ale jest bardzo przyjazna dla układów scalonych. Pompa ładunkowa wykorzystuje kondensatory jako element magazynujący energię.
W podstawowym wykonaniu tej techniki konwersji mocy, prąd (ładunek) jest naprzemiennie przełączany i kierowany pomiędzy dwoma kondensatorami ustawionymi tak, aby wyjście obwodu było dwa razy większe od wejścia, a tym samym funkcjonowało jako konwerter podwyższający napięcie. Z tych powodów, przetwornica charge-pump jest również znana jako konstrukcja z przełączanymi kondensatorami.
Jak działa przetwornica charge-pump voltage-doubler?
Jak to podwojenie napięcia jest osiągnięte? Wszystko zaczyna się od podstawowej zasady fizyki: ładunek przepływający tam i z powrotem w zamkniętym obwodzie nie jest „tracony”, ale zamiast tego może być przenoszony poprzez przełączanie pomiędzy elementami magazynującymi ładunek. W koncepcji pompy ładunkowej, diody mogą być użyte do kontrolowania przepływu prądu; w rzeczywistej praktyce, przełączniki są zwykle przełączanymi MOSFETami, a kondensatory są zewnętrznymi urządzeniami ceramicznymi lub elektrolitycznymi, w zależności od ilości potrzebnej pojemności.
Operacja, rysunek 1, jest dwuetapowym cyklem ładowania-rozładowania, w którym kondensator C1 ładuje się, a następnie rozładowuje do C2. Najpierw zegar ustawia wyjście przetwornicy 1 w stan niski, więc D1 jest spolaryzowany w przód, ładując kondensator C1 do napięcia zasilania +Vdc; również D2 jest wyłączony.
Następnie zegar ustawia wyjście przetwornicy 1 w stan wysoki, a ładunek na C1 jest teraz w szeregu z +Vdc z przetwornicy 1. Ponieważ wyjście przetwornicy 2 jest niskie, D2 staje się forward-biased i C2 ładuje się do dwukrotności Vdc. Napięcie widziane w ten sposób na obciążeniu wynosi 2 × Vdc, minus spadki napięcia diody do przodu i wszelkie straty w przetwornicach.
W praktycznych konstrukcjach wykorzystujących elementy dyskretne, diody Schottky’ego są zwykle używane zamiast konwencjonalnych diod ze względu na ich niższy spadek napięcia do przodu. Jednakże, pompy ładunkowe oparte na układach scalonych nie używają diod; zamiast tego, używają przełączników MOSFET z niską rezystancją włączenia RDS(ON). Sprawność pomp ładunkowych jest dość wysoka, w zakresie od 90 do 95%.
Część 2 przygląda się dodatkowym aspektom pomp ładunkowych, w tym ich kondensatorom, wariantom niepodwójnym, zegarom wewnętrznym i zewnętrznym, filtrowaniu i regulacji oraz wbudowanym pompom ładunkowym.
Mogą Ci się również spodobać:
.