Det är en mycket vanlig utmaning i kretsar att behöva omvandla en tillgänglig likströmskälla till en lägre eller högre spänning. För konverteringen från hög till låg är ett alternativ att använda en LDO (Low Dropout regulator), men hur kan man enkelt omvandla en lägre spänning till en högre?
För växelspänningar är svaret välkänt: använd en transformator, vilket har gjorts i långt över 100 år. Men som till och med varje förstaårsstudent i elektroteknik vet kan man inte använda en transformator för likström. Det uppenbara tillvägagångssättet är därför att ”hugga” lågspänningsjämströmmen med hjälp av en oscillator av något slag, låta den huggna, växelströmsliknande vågformen passera genom en upptrappningstransformator och sedan likrikta och filtrera den vid utgången på sekundärsidan. Detta tillvägagångssätt kan vara mycket framgångsrikt, och förbättrade versioner av det ligger till grund för växlande nätaggregat, som används för att både öka (boost) och minska (buck) spänningen mellan en likströmskälla och en matningsskena.
Vilka nackdelar finns det med detta tillvägagångssätt?
Den viktigaste frågan är behovet av transformatorn, en induktiv komponent som är en relativt stor och kostsam komponent i förhållande till resten av kretsen för kraftomvandling som den stöder. Även om vissa kraftomvandlare faktiskt föredrar eller till och med kräver en transformator på grund av den inneboende galvaniska isoleringen som den ger, behövs denna fördel ofta inte i lågspänningskretsar eller lokaliserade underkretsar. En transformatorbaserad konstruktions prestanda och kostnad lämpar sig bättre för DC/DC-omvandlare över cirka 1 till 5 A utgång, men det är i allmänhet inte en attraktiv lösning i den låga änden under några hundra mA.
Vad är det bättre alternativet?
Kretsdesigners har utvecklat en topologi som kallas laddningspump, som faktiskt är svår att implementera med diskreta komponenter, men som är mycket IC-vänlig. I laddningspumpen används kondensatorer som energilagringselement.
I det grundläggande utförandet av denna kraftomvandlingsteknik växlas och leds strömmen (laddning) växelvis mellan två kondensatorer som är anordnade så att kretsutgången är dubbelt så stor som ingången och därmed fungerar som en spänningsfördubblande boostomvandlare. Av dessa skäl är laddningspumpomvandlaren också känd som en konstruktion med kopplade kondensatorer.
Hur fungerar laddningspumpspänningsfördubblaren?
Hur åstadkoms denna spänningsfördubblande boost? Allt börjar med en grundläggande fysikprincip: laddning som flödar fram och tillbaka i en sluten krets går inte ”förlorad”, utan kan istället överföras via växling mellan laddningslagringselement. I ett koncept med laddningspump kan dioder användas för att styra strömflödet; i praktiken är omkopplarna vanligen kopplade MOSFET:er, och kondensatorerna är externa keramiska eller elektrolytiska enheter beroende på hur mycket kapacitet som behövs.
Förfarandet, figur 1, är en laddnings- och urladdningscykel i två steg, där kondensatorn C1 laddas och sedan urladdas i C2. Först driver klockan utgången av inverter 1 lågt, så D1 är forward-biased och laddar därmed kondensator C1 till matningsspänningen +Vdc; även D2 är avstängd.
Nästan driver klockan utgången av inverter 1 högt, och laddningen på C1 är nu i serie med +Vdc från inverter 1. Eftersom utgången från inverter 2 är låg blir D2 framåtriktat och C2 laddas till två gånger Vdc. Den spänning som därmed ses över belastningen är 2 × Vdc, minus diodernas framåtriktade spänningsfall och eventuella förluster i växelriktarna.
I praktiska konstruktioner som använder diskreta komponenter används vanligen Schottkydioder i stället för konventionella dioder på grund av deras lägre framåtriktade spänningsfall. I IC-baserade laddningspumpar används dock inga dioder, utan istället MOSFET-omkopplare med låg on-resistans RDS(ON). Laddningspumpens verkningsgrad är ganska hög, i intervallet 90-95 %.
I del 2 behandlas ytterligare några aspekter av laddningspumpar, bland annat deras kondensatorer, variationer utan fördubbling, interna och externa klockor, filtrering och reglering samt inbäddade laddningspumpar.
