É um desafio muito comum nos circuitos a necessidade de converter uma fonte DC disponível para uma tensão mais baixa ou mais alta. Para a conversão de alta para baixa, uma opção é usar um regulador de baixa queda (LDO), mas como transformar facilmente uma tensão mais baixa em uma mais alta?
Para tensões CA, a resposta é bem conhecida: usar um transformador, como tem sido feito há mais de 100 anos. No entanto, como até mesmo todo estudante de engenharia elétrica do primeiro ano sabe, você não pode usar um transformador com DC. A abordagem óbvia, então, é “cortar” a CC de baixa tensão usando um oscilador de algum tipo, passar a forma de onda cortada, semelhante à CA, através de um transformador de passo-a-passo, e então retificá-la e filtrá-la na saída do lado secundário. Esta abordagem pode ser muito bem sucedida, e as suas versões melhoradas são a base para comutar as fontes de alimentação, usadas tanto para aumentar (aumentar) como para diminuir (diminuir) a tensão entre uma fonte DC e um trilho de alimentação.
Quais são as desvantagens desta abordagem?
A questão chave é a necessidade do transformador, um componente indutivo que é um componente relativamente grande e caro em comparação com o resto do circuito de conversão de energia que suporta. Enquanto alguns conversores de potência realmente preferem ou mesmo mandam um transformador devido ao isolamento galvânico inerente que ele proporciona, esse benefício muitas vezes não é necessário em circuitos de baixa tensão ou subcircuitos localizados. O desempenho e o custo de um projeto baseado em transformador são mais adequados para conversores DC/DC acima de cerca de 1 a 5 A, mas geralmente não é uma solução atraente na extremidade baixa abaixo de algumas centenas de mA.
Qual é a melhor alternativa?
Circuit designers desenvolveram uma topologia chamada bomba de carga, que na verdade é difícil de implementar com componentes discretos, mas é muito amigável ao CI. A bomba de carga utiliza condensadores como elemento de armazenamento de energia.
Na execução básica desta técnica de conversão de energia, a corrente (carga) é alternadamente comutada e direccionada entre dois condensadores dispostos de modo a que a saída do circuito seja o dobro da entrada, e assim funcionando como um conversor de impulso de dupla tensão. Por estas razões, o conversor de carga-bomba também é conhecido como um conversor de tensão-capacitor comutado.
Como funciona o conversor de carga-bomba de tensão-doubler?
Como é realizado este reforço de tensão-doubler? Tudo começa com um princípio fundamental da física: a carga fluindo para frente e para trás em um circuito fechado não é “perdida”, mas pode ser transferida através da comutação entre os elementos de armazenamento de carga. Em um conceito de bomba de carga, os diodos podem ser usados para controlar o fluxo de corrente; na prática real, as chaves são normalmente MOSFETs comutados, e os capacitores são dispositivos externos de cerâmica ou eletrolíticos dependendo da quantidade de capacitância necessária.
A operação, Figura 1, é um ciclo de carga-descarga em dois passos, onde o capacitor C1 carrega e depois descarrega em C2. Em primeiro lugar, o relógio acciona a saída do inversor 1 a baixa, pelo que D1 é polarizado para a frente, carregando assim o condensador C1 para a tensão de alimentação +Vdc; também, D2 está desligado.
Nextra, o relógio acciona a saída do inversor 1 a alta, e a carga em C1 está agora em série com +Vdc do inversor 1. Como a saída do inversor 2 é baixa, D2 torna-se enviesada para a frente e C2 carrega até duas vezes Vdc. A voltagem assim vista através da carga é de 2 × Vcc, menos as quedas de tensão do díodo para a frente e quaisquer perdas nos inversores.
Em projetos práticos utilizando componentes discretos, os diodos Schottky são normalmente utilizados em vez dos diodos convencionais devido à sua queda de tensão para a frente mais baixa. No entanto, as bombas de carga IC não utilizam díodos; em vez disso, utilizam interruptores MOSFET com baixa resistência RDS(ON). A eficiência da bomba de carga é bastante alta, na faixa de 90 a 95%.
Parte 2 analisa alguns aspectos adicionais das bombas de carga, incluindo seus capacitores, variações sem duplicação, relógios internos e externos, filtragem e regulação, e bombas de carga embutidas.
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