Este o provocare foarte frecventă în circuite de a avea nevoie să convertim o sursă de curent continuu disponibilă la o tensiune mai mică sau mai mare. Pentru conversia de la înaltă la joasă, o opțiune pentru a utiliza un regulator de joasă cădere (LDO), dar cum se poate transforma cu ușurință o tensiune mai mică într-o tensiune mai mare?
Pentru tensiunile de curent alternativ, răspunsul este bine cunoscut: utilizați un transformator, așa cum se face de mai bine de 100 de ani. Cu toate acestea, după cum știe chiar și orice student în primul an de inginerie electrică, nu poți folosi un transformator cu curent continuu. Abordarea evidentă, atunci, este să „ciopârțești” curentul continuu de joasă tensiune folosind un oscilator oarecare, să treci forma de undă ciopârțită, asemănătoare cu cea de curent alternativ, printr-un transformator ridicător, apoi să o rectifici și să o filtrezi la ieșirea de pe partea secundară. Această abordare poate fi foarte reușită, iar versiunile îmbunătățite ale acesteia stau la baza surselor de alimentare cu comutație, utilizate atât pentru a crește (boost), cât și pentru a scădea (buck) tensiunea dintre o sursă de curent continuu și o șină de alimentare.
Care sunt dezavantajele acestei abordări?
Problema cheie este necesitatea transformatorului, o componentă inductivă care este o componentă relativ mare și costisitoare în comparație cu restul circuitelor de conversie a puterii pe care le susține. În timp ce unele convertoare de putere preferă de fapt sau chiar impun un transformator datorită izolației galvanice inerente pe care o oferă, acest beneficiu nu este adesea necesar în circuitele de joasă tensiune sau în subcircuitele localizate. Performanța și costul unui proiect bazat pe transformator sunt mai potrivite pentru convertoare DC/DC cu o putere de ieșire mai mare de aproximativ 1 până la 5 A, dar, în general, nu este o soluție atractivă la limita inferioară, sub câteva sute de mA.
Care este alternativa mai bună?
Proiectanții de circuite au dezvoltat o topologie numită pompă de sarcină, care este de fapt dificil de implementat cu componente discrete, dar este foarte prietenoasă cu circuitele integrate. Pompa de sarcină folosește condensatori ca element de stocare a energiei.
În execuția de bază a acestei tehnici de conversie a energiei, curentul (sarcina) este alternativ comutat și direcționat între doi condensatori dispuși astfel încât ieșirea circuitului să fie de două ori mai mare decât intrarea, funcționând astfel ca un convertor de supraalimentare cu dublarea tensiunii. Din aceste motive, convertorul cu pompă de sarcină este, de asemenea, cunoscut sub numele de proiectare cu condensatori comutați.
Cum funcționează dublatorul de tensiune cu pompă de sarcină?
Cum se realizează această amplificare de dublare a tensiunii? Totul începe cu un principiu fundamental al fizicii: sarcina care circulă înainte și înapoi într-un circuit închis nu este „pierdută”, dar în schimb poate fi transferată prin comutarea între elementele de stocare a sarcinii. Într-un concept de pompă de încărcare, se pot folosi diode pentru a controla fluxul de curent; în practica reală, comutatoarele sunt de obicei MOSFET-uri comutate, iar condensatorii sunt dispozitive ceramice sau electrolitice externe, în funcție de cantitatea de capacitate necesară.
Operațiunea, Figura 1, este un ciclu de încărcare-descărcare în două etape, în care condensatorul C1 se încarcă, apoi se descarcă în C2. În primul rând, ceasul conduce ieșirea invertorului 1 la nivel scăzut, astfel încât D1 este polarizat în sens direct, încărcând astfel condensatorul C1 la tensiunea de alimentare +Vdc; de asemenea, D2 este oprit.
În continuare, ceasul conduce ieșirea invertorului 1 la nivel ridicat, iar sarcina de pe C1 este acum în serie cu +Vdc de la invertorul 1. Pe măsură ce ieșirea invertorului 2 este scăzută, D2 devine polarizat în sens direct și C2 se încarcă la de două ori Vcc. Tensiunea astfel observată pe sarcină este de 2 × Vcc, minus căderile de tensiune directă ale diodelor și orice pierderi în invertoare.
În proiectele practice care utilizează componente discrete, diodele Schottky sunt de obicei utilizate în locul diodelor convenționale datorită căderii lor mai mici de tensiune directă. Cu toate acestea, pompele de sarcină bazate pe circuite integrate nu folosesc diode; în schimb, ele folosesc comutatoare MOSFET cu rezistență de pornire scăzută RDS(ON). Eficiența pompelor de sarcină este destul de ridicată, în intervalul 90-95%.
Partea 2 analizează unele aspecte suplimentare ale pompelor de sarcină, inclusiv condensatorii acestora, variațiile fără dublare, ceasurile interne și externe, filtrarea și reglarea și pompele de sarcină încorporate.
Ar putea să vă placă și:
.