Pompy ładujące, jako alternatywa dla innych rodzajów stabilizatorów

Pompy ładujące, jako alternatywa dla innych rodzajów stabilizatorów
r_207_03_1r_207_03_2

Pompy ładujące idealnie nadają się do projektów wykorzystujących większy, główny zasilacz jednonapięciowy, który wymaga pomocniczych źródeł napięcia o niższym natężeniu i może obsługiwać układy scalone i elementy wymagające wielu napięć.
Pompa ładująca to rodzaj obwodu zasilacza impulsowego (SMPS – switch-mode power-supply), który jest używany, jako konwerter lub regulator prądu stałego z odpowiednim sterowaniem zwrotnym.
Pompa ładująca jest często pomijana przy rozważaniu nowej konstrukcji wymagającej tych obwodów.
Ze względu na swoją prostotę i inne zalety, pompa ładująca może być lepszym wyborem niż zastosowanie regulatora liniowego LDO (low-dropout) lub regulatora przełączającego z wykorzystaniem cewki indukcyjnej.
W następnym projekcie możesz rozważyć ten klasyczny obwód i jego zalety.
Podstawowe informacje o pompie ładującej
Podstawowy obwód pompy ładującej jest przełączalnym konwerterem DC-DC, który jest często potrzebny w projektach wymagających więcej niż jednego napięcia zasilania DC.
Składa się z przełączników i kondensatorów.
Przełączniki są zwykle diodami w dyskretnych konstrukcjach, ale są także tranzystorami MOSFET w wersjach IC.
Kondensatory są elektrolityczne lub ceramiczne w zależności od prędkości przełączania.
Cewka indukcyjna nie jest potrzebna.
Rysunek 1 pokazuje podstawową pompę ładującą, która jest podłączona, jako podwajacz napięcia.
Operacja jest dwustopniowym cyklem ładowania-rozładowania, w którym „sterujący” („flying”) kondensator C1 ładuje się następnie do kondensatora C2.
Kiedy zegar steruje wyjściem inwertera 1, dioda D1 jest spolaryzowana przewodząco, ładując C1 do V DC.
Dioda D2 jest w tej chwili wyłączona.
Następnie zegar steruje wyjściem inwertera 1 do napięcia V DC.
Ładowanie kondensatora C1 jest teraz połączone szeregowo z napięciem V DC z inwertera 1.
Wyjście inwertera 2 jest niski logicznie, więc dioda D2 jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia, a kondensator C2 ładuje się do poziomu 2V prądu stałego.
Wyjście na obciążeniu wynosi 2V DC, pomniejszone o spadek napięcie przewodzenia na diodzie i wszelkie straty w inwerterach.
Diody Schottky’ego są preferowane ze względu na niższe spadki napięcia przewodzenia i wysokie prędkości przełączania.
Prędkości zegara mogą być w dowolnym miejscu w zakresie od 10kHz do 2MHz.
r_207_03_4

Jeśli doda się więcej segmentów diod i kondensatorów, napięcie może wzrosnąć trzykrotnie lub czterokrotnie (lub nawet wyżej).
Rys. 2 pokazuje kilka przykładów dyskretnych pomp ładujących wykorzystujących popularny układ timera 555.
Rys. 2a przedstawia podwajacz napięcia.
Zegar 555 działa, jako multiwibrator z częstotliwością ustawioną przez elementy R1, R2 i C1.
Wyjście przebiegu prostokątnego na pinie 3 przełącza się z napięcia +5V na sąsiadujący punkt masy.
Gdy pin 3 jest niski logiczne, kondensator C3 ładuje się przez diodę D1 do napięcia +5V.
Gdy pin 3 przechodzi do +5V, D2 przewodzi, łącząc +5V z timera szeregowo z napięciem +5V na kondensatorze C3, ładując w ten sposób kondensator C4.
Wyjście wynosi +10V, mniej niż spadek na diodzie.
Pompa ładująca może być skonfigurowana, jako inwerter napięciowy, jak pokazano na rysunku 2b.
Za pomocą pinu 3, kondensator C3 ładuje się do poziomu + 5V przez diodę D1.
Gdy pin 3 osiąga potencjał masy, D2 jest spolaryzowana przewodząco i kondensator C3 wyładowuje się do kondensatora C4.
Tutaj zasilanie +5V jest przetwarzane na napięcie wyjściowe około –5V, pomniejszone o spadki napięcia na diodzie.
Taki obwód inwertera jest przydatny, gdy istnieje potrzeba zasilania ujemnego.
Przykładem jest sytuacja, w której potrzebne są dodatkowe „plusy i minusy” dla wzmacniacza operacyjnego.
Wszystkie pompy ładujące są kombinacją przełączników i kondensatorów.
Większość zintegrowanych pomp ładujących wykorzystuje przełączniki na tranzystorach MOSFET o niskiej rezystancji włączania i zintegrowanym zegarem.
Kondensatory są zawsze zewnętrzne w stosunku do układu scalonego, więc typ i rozmiar można wybrać zgodnie z szybkością zegara i wymaganiami tętnienia.
Obwód może, ale nie musi być stabilizowany.
Rysunek 3 pokazuje niektóre popularne konfiguracje stosowane w pompach ładujących układów IC.
Przełączniki są tranzystorami MOSFET – przełączniki S2 i S3 razem, podobnie jak S1 i S4.
Wewnętrzny oscylator steruje przełącznikami.
Ryc. 3a pokazuje klasyczną konfigurację podwajacza napięcia.
Gdy S2 i S3 są zamknięte, a S1 i S4 otwarte, „sterujący” („flying”) kondensator C1 ładuje się do napięcia wejściowego V DC.
W następnej połowie cyklu S2 i S3 otwierają się, podczas gdy S1 i S4 są zamknięte.
Kondensator C1 jest połączony szeregowo z napięciem wejściowym, a kombinacja ładuje C2.
Wyjściowe napięcie wynosi 2V prądu stałego, mniej spadku napięcia jest na tranzystorze MOSFET.
Zwróć uwagę na dzielnik napięcia sprzężenia zwrotnego zapewniający stabilizację.
Wersja odwrócona jest pokazana na rys. 3b.
Gdy przełączniki S2 i S3 są zamknięte, a S1 i S4 otwarte, „sterujący” („flying”) kondensator C1 ładuje się do napięcia wejściowego V DC.
W następnej połowie cyklu, S1 i S3 otwierają się, podczas gdy S2 i S4 są zamknięte.
Kondensator C1 wyładowuje się do kondensatora C2.
Przy połączonym z masą górnym końcu kondensatora C2, wyjście na drugim końcu wynosi –V dc.
Typowe aplikacje
Pompy ładujące idealnie nadają się do konstrukcji wykorzystujących większy, główny zasilacz jednonapięciowy, który dostarcza większość energii, ale wymaga pomocniczych źródeł napięcia o niższym natężeniu.
Obecnie wiele układów scalonych i elementów wymaga wielu napięć.
Można je często wygenerować za pomocą pompy ładującej.
Klasycznym przykładem jest układ scalony pompy ładującej MAX232, który generował źródła zasilania ± 3-25V wymagane do zasilania popularnego sterownika linii szeregowej interfejsu RS-232 i układów scalonych odbiornika z zasilania 5V.
Innym przykładem jest potrzeba zasilania transceivera USB z akumulatora o niższym napięciu.
Polaryzacje zasilań TFT-LCD stanowią jeszcze jeden przykład.
Niektóre mikroprocesory wymagają dodatkowego zasilania, podobnie jak wiele pamięci EEPROM i pamięci Flash.
Większość korzysta z wbudowanych pomp ładujących, aby zapewnić te dodatkowe napięcia.

Zalety i wady pomp ładujących


Pompa ładująca ma kilka kluczowych zalet w porównaniu z innymi głównymi typami konwerterów DC-DC i stabilizatorów:

Prostota.
Niska cena. Mniej elementów. Bez cewki.
Mniejsza przestrzeń na płytce drukowanej. Mniejsza wysokość.
Wyższa wydajność niż liniowa. Szacowana 20% poprawa.
Dostępne w konfiguracjach buck, boost i inverting.
Wielu dostawców układów scalonych.
Nic nie jest idealne dla każdego projektu, ale jest kilka wad pomp ładujących:
Najlepsze dla małych obciążeń (<200mA).
Zakłócenia elektromagnetyczne (EMI).
Nadal jest to obwód przełączający, więc generuje trochę EMI.
Mniej wydajne niż projekty oparte na cewkach.
Porównywanie alternatyw
Podczas projektowania produktu, twoim wyborem dla konwertera DC-DC i stabilizatora jest pompa ładująca, LDO i obwody przełączające oparte na cewce indukcyjnej.

Uwagi do projektu
W przypadku konstrukcji dyskretnych diody Schottky są niezbędne do szybkiego przełączania i niższych spadków napięcia (0,2 do 0,4V).
Jeśli chodzi o kondensatory, do przełączania niższych częstotliwości można stosować elektrolityczne lub tantalowe.
Jednak ich wysoka równoważna rezystancja szeregowa (ESR) powoduje, że obwód jest mniej wydajny.
W przypadku układów scalonych niskoenergetyczne kondensatory ceramiczne do montażu powierzchniowego są niezbędne dla uzyskania najlepszej wydajności.
Rozmiary różnią się w zależności od prędkości przełączania.
Kondensatory elektrolityczne lub tantalowe nie powinny być stosowane z powodu ich wysokiego ESR.
Niektóre układy scalone mogą również powodować odwrócenie polaryzacji podczas pracy, a wiele z nich powoduje uszkodzenie.
Postępuj zgodnie z zaleceniami producenta układu scalonego.

Autor: Lou Frenzel

Komentarze z Facebooka

Komentarze obecnie - OFF.