Зарядовый насос

Зарядовые насосы представляют собой преобразователи постоянного напряжения, использующие сеть переключающих элементов, таких как диоды и транзисторные ключи, для передачи заряда между накопительными элементами. Это позволяет увеличивать выходное напряжение. В этих схемах в качестве накопителей энергии применяются конденсаторы, что отличает их от устройств с катушками индуктивности или трансформаторами. Благодаря этому зарядовые насосы находят широкое применение в портативных электронных устройствах, где ограниченные размеры и мощность не позволяют использовать традиционные повышающие схемы с трансформаторами.

Примеры устройств, в которых необходимы компактные схемы повышения напряжения, включают смартфоны, музыкальные плееры, ноутбуки. Кроме того, зарядовые насосы применяются в автомобильной электронике, например, в системах управления топливными форсунками, зажиганием, а также в светодиодных осветительных системах.

Концепция преобразователей с переключаемой ёмкостью появилась ещё в 1930-х годах. Однако популярность они приобрели только с развитием транзисторной технологии, что позволило создать компактные и эффективные устройства.

Насосы с положительным зарядом

Увеличение выходного напряжения можно достичь последовательным соединением заряженных конденсаторов. Однако этот подход неэффективен, так как конденсаторы необходимо постоянно заряжать после разрядки.

Более эффективным решением является схема, представленная на рисунке выше. В такой схеме диод подключён последовательно с источником постоянного напряжения и параллельно конденсатору, который, в свою очередь, соединён с источником прямоугольного напряжения, изменяющегося от 0 до $U$.

1. Когда напряжение прямоугольного сигнала равно нулю, диод проводит ток, и конденсатор заряжается до напряжения $U$.
2. Когда сигнал достигает $U$, диод запирается, поскольку напряжение на катоде превышает напряжение на аноде, и выходное напряжение возрастает до $2U$.
3. Однако при падении прямоугольного сигнала до нуля выходное напряжение снова снижается до $U$, что нежелательно.

Улучшенная схема удвоения напряжения

Для решения этой проблемы схема дополнена дополнительным конденсатором.

• На первом этапе оба конденсатора заряжаются до $U$, когда прямоугольный сигнал равен нулю.
• На втором этапе, при достижении пика напряжения прямоугольного сигнала, напряжение на первом конденсаторе возрастает до $2U$, и второй конденсатор также заряжается до $2U$.

Это позволяет сохранить выходное напряжение на уровне $2U$, даже если прямоугольный сигнал падает до нуля. Таким образом, схема эффективно удваивает входное напряжение.

Утроение напряжения

Здесь необходимо учитывать падение напряжения на диоде (в случае кремниевых диодов оно обычно составляет Ud = 0,6 – 0,7 В). Хотя упомянутое напряжение невелико, оно может повлиять на значение выходного напряжения. Если учесть падение напряжения на диоде, то выходное напряжение составит 2U – 2Ud. Более того, при наличии нагрузки можно ожидать пульсаций выходного напряжения, которые будут незначительными, если ток нагрузки достаточно мал.

Добавив еще один каскад в схему, можно утроить входное напряжение на выходе. Однако в этом случае требуется инверсия прямоугольного сигнала. Для этого частью схемы является отрицательный элемент, включенный последовательно со вторым конденсатором. Принцип работы этой схемы аналогичен схеме удвоения входного напряжения — когда напряжение на втором конденсаторе достигнет 2U, инвертированный квадрат напряжения приведет к увеличению напряжения на третьем конденсаторе до 3U. Аналогично, на конечное выходное напряжение будут влиять падения напряжения на диодах, а ток нагрузки может вызвать пульсации выходного напряжения.

Описанные до сих пор схемы представляют собой насосы положительного заряда. Однако также возможно получить отрицательное выходное напряжение.

Насосы с отрицательным зарядом

Схема генерации отрицательного напряжения отличается от накачки положительного заряда расположением диодов и конденсаторов. Как показано на рисунке, диод подключен к земле. Выходное напряжение — это напряжение на диоде, а входное напряжение — это напряжение на конденсаторе.

Когда входное напряжение равно нулю, выходное напряжение также равно нулю и диод выключен. Когда входное напряжение достигнет максимального значения, диод включится. Тогда выходное напряжение все равно будет равно нулю, поскольку диод закорачивает выход. Когда входное напряжение упадет до нуля, диод выключится и входное напряжение будет вычтено из нулевого напряжения на выходе. Таким образом, выходное напряжение будет –U. Однако в этой конфигурации выходное напряжение не будет постоянным и будет колебаться от нуля до -U. Чтобы изменить это, добавьте в схему, показанную один набор диодов и конденсаторов.

На рисунке выше схема с двумя диодами, двумя конденсаторами и одним источником прямоугольных импульсов на входе. Для стабилизации выходного напряжения второй конденсатор заряжается до –U. Следовательно, выходное напряжение по-прежнему равно -U, в то время как напряжение прямоугольной волны уменьшается до нуля.

Удвоитель отрицательного напряжения

Эту схему можно дополнительно усовершенствовать для достижения двойного отрицательного напряжения (–2U). В этом случае инвертированный прямоугольный сигнал следует подключить ко второму каскаду схемы, чтобы понизить напряжение. Например, если входное напряжение колеблется от 0 до 9 В, выходное напряжение будет -18 В. Как и в случае с насосом положительного заряда, падение напряжения на диодах и тот факт, что ток нагрузки может вызвать пульсации выходного напряжения, должны учитываться. учтено.

В схемах с переключаемыми конденсаторами используются потоки заряда между конденсаторами, регулируемые соответствующим включением и выключением ключей, управляемых по времени неперекрывающимся тактовым сигналам. Это позволяет имитировать сопротивление. Это, в свою очередь, позволяет реализовать RC-фильтры, состоящие только из конденсаторов.

Схемы с переключаемой мощностью

Далее показан пример системы с переключаемой мощностью. В этой схеме конденсатор С1 переключается с помощью транзисторных ключей, управляемых тактовыми сигналами с частотами f 1 и f 2. В этом случае можно предположить, что заряд, переданный за один цикл, остается постоянным в течение многих циклов. Это позволяет усреднять токи и сопротивления.

В работе системы, представленной на рисунке 1, можно выделить два этапа.

1. В первом переключатель 1 замкнут, а переключатель 2 разомкнут. В этой конфигурации заряд течет от узла U1 к конденсатору.
2. На втором этапе переключатель 1 размыкается, а переключатель 2 закрывается. Затем конденсатор С1 подключается к узлу U2 и будет заряжаться или разряжаться до тех пор, пока его напряжение не достигнет значения U2.

Моделирование резисторов в цепи переключаемой емкости имеет множество преимуществ. Прежде всего, можно получить точно контролируемое сопротивление, зависящее только от тактовой частоты и емкости конденсатора. Это экономит место, поскольку резисторы с высоким сопротивлением занимают много места на печатной плате.

Еще одним преимуществом является уменьшение несоответствия между резисторами и конденсаторами в фильтрах. Сопоставить похожие компоненты (конденсатор с конденсатором) обычно проще, чем совместить компоненты разных типов (конденсатор с резистором). Благодаря этому RC-фильтры, состоящие только из конденсаторов, имеют более стабильные частотные характеристики.

Более того, поскольку значение сопротивления, реализованное в схеме переключаемой емкости, зависит только от значения емкости конденсатора и частоты переключения, можно динамически формировать частотную характеристику фильтра путем регулировки тактовой частоты. Насосы заряда также проектируются на основе схем с переключаемой емкостью.

Практическая схема зарядового насоса

Зарядовый насос включает генератор, петлю обратной связи, основанную на операционном усилителе и источнике опорного напряжения, для стабилизации выходного напряжения, две ступени умножителя напряжения и два «летающих» конденсатора.

Первый каскад насоса управляется непосредственно генератором, реализованным на компараторе микросхемы TS12011. Напряжение, вырабатываемое первым каскадом, поступает на второй каскад через инвертор. КПД устройства при полной нагрузке варьируется от 70% до 40% в зависимости от входного напряжения (1…2,5 В), что сравнимо с характеристиками линейных стабилизаторов.

Микросхема TS12011 включает операционный усилитель, компаратор и источник опорного напряжения (ИОН), обеспечивая типичный ток потребления всего 3,2 мкА. Она способна работать при низком напряжении питания (менее 1 В), что позволяет использовать её с одноэлементной батареей.

Компаратор TS12011 отличается высокой нагрузочной способностью даже при напряжении ниже 0,8 В, что позволяет ему напрямую управлять первым каскадом с помощью генераторных импульсов. Семейство логических вентилей SN74AUP выбрано благодаря их исключительно низкому энергопотреблению. Для снижения потерь на переключение MOSFET использовались транзисторы с низким пороговым напряжением и минимальным зарядом затвора. Оптимизация компонентов позволила создать схему с током покоя всего 8 мкА, что делает её энергоэффективным решением.