Opladningspumpekredsløb

Situationen er enkel - du har en lavspændingsforsyningsskinne, siger 3,3V, og du vil drive noget, der har brug for 5V. Dette er et hårdt opkald, især hvis der er involveret batterier. Den eneste tilsyneladende måde er en switch mode converter, mere specifikt en boost converter.

Det er her, vi rammer en vejspærring - boost-konvertere er ineffektive ved lav effekt, da der forbruges en masse energi bare for at holde reguleringen på punkt og køre afbryderen. Omskiftere med omskiftertilstand af denne type er også støjende - dette er et problem, hvis du har at gøre med følsomme kredsløb. Du er i den ubehagelige position som en overkonstrueret løsning. Lineære regulatorer fungerer ikke i omvendt retning, så det er udelukket som underkonstrueret.

Så hvor trækker vi grænsen mellem overudviklet og underudviklet?

Svaret på dette problem er ladepumpen - som i sig selv er en slags switch mode strømforsyning. Som navnet antyder, flytter denne form for konverter diskrete ladninger rundt, og den komponent, der gemmer disse diskrete ladninger, er kondensatoren, så denne type konverter kaldes også Flying Capacitor Converter.

En ladepumpe skaber diskrete multipla af indgangsspændingen ved hjælp af kondensatorer.

Hvordan fungerer en ladepumpe?

Den bedste måde at forstå dette på er at forestille sig følgende situation.

Du oplader en kondensator ved hjælp af et 9V batteri, så spændingen over kondensatoren er også 9V. Så tager du en anden kondensator og oplader den også op til 9V. Tilslut nu de to kondensatorer i serie, og mål spændingen over dem - 18V.

Dette er det grundlæggende princip for opladningspumpens drift - tag to kondensatorer, oplad dem hver for sig og sæt dem derefter i serie, selvom omlægningen foretages elektronisk i en rigtig opladningspumpe.

Dette er naturligvis ikke begrænset til kun to kondensatorer, successive trin kan kaskaderes for at opnå højere spændinger på udgangen.

Begrænsninger for ladepumper

Før vi bygger en, er det en god ide at lære kendskabspumpernes begrænsninger at kende.

1. Tilgængelig udgangsstrøm - da opladningspumper ikke er andet end kondensatorer, der oplades og aflades i cyklusser, er den tilgængelige strøm meget lav - der er sjældne tilfælde, hvor brug af den rigtige chip kan give dig 100 mA, men med lav effektivitet.

2. Jo flere trin, du tilføjer, betyder ikke, at spændingsoutputtet stiger så mange gange - hvert trin indlæser output fra det forrige trin, så output er ikke et perfekt multiplum af input. Dette problem bliver værre jo flere faser du tilføjer.

Opbygning af et ladepumpekredsløb

Kredsløbet vist her er til en simpel opladningspumpe i tre trin, der bruger den stedsegrønne 555 timer IC. På en måde er dette kredsløb 'modulært' - trin kan kaskades for at øge udgangsspændingen (med begrænsning nummer to i tankerne).

Komponenter, der kræves

1. Til 555 Oscillator

555 timer - bipolar variant
10uF elektrolytkondensator (afkobling)
2x 100nF keramisk kondensator (afkobling)
100pF keramisk kondensator (timing)
1K modstand (timing)
10K modstand (timing)

2. Til ladepumpen

6x IN4148-dioder (UF4007 anbefales også)
5x 10uF elektrolytiske kondensatorer
100uF elektrolytkondensator

En vigtig ting at bemærke er, at alle kondensatorer, der bruges i opladningspumpen, skal have få volt mere end den forventede udgangsspænding.

Kredsløbsdiagram

Sådan ser det ud på brødbrættet:

Beskrivelse af ladepumpekredsløb

1. 555-timeren

Kredsløbet vist her er en ligefrem 555 timer astabel oscillator. Timingskomponenterne resulterer i en frekvens på omkring 500 kHz (hvilket for en bipolar 555 er en bedrift i sig selv). Denne høje frekvens sikrer, at kondensatorerne på ladepumpen 'opdateres' med jævne mellemrum, så spændingen på udgangen ikke har for meget krusning.

2. Opladningspumpen

Dette er den mest skræmmende del af hele kredsløbet. Som de fleste andre ting kan det forstås ved at nedbryde det til en enkelt enhed:

Lad os antage, at pin 3, output fra 555-timeren, er lav under opstart. Dette resulterer i, at kondensatoren oplades gennem dioden, da den negative terminal nu er jordforbundet. Når output går højt, går den negative pin også højt - men da der allerede er en opladning på kondensatoren (der ikke kan gå nogen steder på grund af dioden), er spændingen set ved kondensatorens positive terminal faktisk dobbelt indgangsspændingen.

Her er kondensatorens positive terminal:

Det endelige resultat er, at du effektivt tilføjer en forskydning af V _CC til output af 555-timeren.

Nu er denne spænding direkte som output ubrugelig, da der er en massiv 50% krusning. For at løse dette tilføjer vi en spidsdetektor som vist i nedenstående figur:

Dette er output fra ovenstående kredsløb:

Og vi har med succes fordoblet spændingsudgangen!

Tip til kredsløbskonstruktion

Den bipolære 555 er kendt for de forsyningsspidser, den genererer på forsyningsskinnen, da output-push-pull-trinnet næsten kortere forsyningen under overgange. Så frakobling er obligatorisk.

Jeg tager en hurtig omvej for at fortælle dig noget om korrekt afkobling.

Her er oscillatorens V _CC- stift uden nogen afkobling:

Og her er den samme pin med korrekt afkobling:

Du kan tydeligt se forskellen, som en lille smule afkobling gør.

SMD-kondensatorer med lav induktans anbefales til ladepumpetrinnet. Schottky-dioder med lavt spændingsfald fremad forbedrer også ydeevnen.

Brug af en CMOS 555 med et korrekt output-trin (måske endda en gate-driver som TC4420) kan reducere (men ikke eliminere) forsyningsspidserne.

Ladepumpevariationer

Ladepumper øger ikke kun spændingen, de kan bruges til at invertere spændingens polaritet.

Dette kredsløb fungerer på samme måde som spændingsdobleren - når 555-udgangen bliver høj, oplades hætten, og når udgangen går lavt, trækkes den gennem den anden kondensator i omvendt retning og skaber en negativ spænding på udgangen.

Hvor bruger jeg en opladningspumpe?

Bipolaritetsforsyning til op-forstærkere i et kredsløb, hvor kun en enkelt spænding er tilgængelig. Op-forstærkere bruger ikke meget strøm, så dette passer perfekt. Det pæne ved dette er, at en inverter og en fordobler kan drives fra den samme output, hvilket skaber, siger, ± 12V forsyning fra en 5V forsyning.
Portdrivere - bootstrapping er en mulighed, men en opladningspumpe har potentialet til at generere højere spænding, for eksempel at have et 12V gate-drev fra en 3,3V forsyning. Bootstrapping ville ikke give dig mere end 7V i dette tilfælde.

Så ladepumper er enkle og effektive enheder, der bruges til at skabe diskrete multipla af indgangsspændingen.