Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2017
Lou Frenzel
Electronic Design
Зарядовые насосы идеально подходят для создания слаботочных вспомогательных источников напряжения в устройствах с единственным основным источником, позволяя обеспечить работу микросхем и компонентов, требующих нескольких напряжений.
Являясь разновидностью импульсного источника питания, зарядовый насос используется в качестве DC/DC преобразователя или, с соответствующей обратной связью, в качестве стабилизатора. При разработке новых проектов о существовании зарядовых насосов часто забывают, хотя благодаря своей простоте и другим преимуществам, выбор зарядового насоса может быть лучшим по сравнению с LDO стабилизатором или импульсным преобразователем, использующим дроссель. Но, возможно, работая над следующей конструкцией, вы вспомните об этой классической схеме и ее достоинствах.
Принцип работы зарядового насоса
Классические зарядовые насосы часто находят применение в конструкциях, требующих более одного постоянного напряжения питания. Основными элементами зарядового насоса являются переключатели и конденсаторы. В конструкциях на дискретных компонентах переключателями служат диоды, а в интегральном варианте вместо них используются MOSFET. В зависимости от частоты переключения, конденсаторы могут быть керамическими или электролитическими. Дроссели таким схемам не нужны.
На Рисунке 1 показана классическая схема зарядового насоса в конфигурации удвоителя напряжения. Рабочий цикл состоит из двух этапов, во время которых «плавающий» конденсатор С1 вначале заряжается, а затем передает заряд в конденсатор С2. Когда тактовый генератор переключает выход инвертора 1 в низкое состояние, конденсатор С1 через открытый диод D1 заряжается до величины напряжения питания V. Диод D2 в это время закрыт. Затем по сигналу тактового генератора на выходе инвертора 1 устанавливается высокое состояние с напряжением V.
 |
||
| Рисунок 1. | Самой распространенной схемой зарядового насоса является базовая конфигурация удвоителя напряжения. |
|
Теперь заряженный до напряжения V конденсатор С1 соединяется последовательно с выходом инвертора 1, напряжение на котором также равно V. Поскольку выход инвертора 2 находится в низком состоянии, диод D2 открывается, и конденсатор С2 заряжается до напряжения 2V. Без учета прямого падения на диодах и потерь в инверторах, выходное напряжение на нагрузке составит 2V. В этой схеме предпочтительнее использовать диоды Шоттки, имеющие меньшее падение напряжения и более высокое быстродействие. Частота переключения может быть любой в диапазоне от 10 кГц до 2 МГц. Если в схему добавить дополнительные диоды и конденсаторы, можно получить выходное напряжение, превосходящее входное в три, четыре и более раз.
На Рисунке 2 показаны примеры схем зарядовых насосов на дискретных компонентах, в которых используется популярная микросхема таймера 555. В удвоителе напряжения на Рисунке 2а таймер работает в режиме автоколебательного мультивибратора с частотой, устанавливаемой элементами R1, R2 и C1. Выходные прямоугольные импульсы на выводе 3 имеют размах от +5 В до уровня, близкого к земле. При низком уровне на выводе 3 конденсатор С3 через диод D1 заряжается до напряжения +5 В. Когда на выводе 3 устанавливается напряжение +5 В, открывается диод D2, последовательно подключая к конденсатору С4 выходное напряжение +5 В микросхемы и заряженный до +5 В конденсатор С3. Выходное напряжение, без учета падения напряжения на диодах, будет равно +10 В.
|
||||||
| Рисунок 2. | Популярная микросхема таймера 555 может быть использована для создания удвоителя (а) или инвертора (б) напряжения. |
|||||
Изменив конфигурацию зарядового насоса, можно сделать инвертор напряжения (Рисунок 2б). В этой схеме конденсатор C3 заряжается до напряжения +5 В через вывод 3 и диод D1. При низком уровне на выводе 3 смещенный в прямом направлении диод D3 открывается, и конденсатор С3 передает заряд конденсатору С4. При питании от источника с напряжением +5 В выходное напряжение, без учета падения напряжения на диоде, здесь будет равно примерно –5 В. Эта схема может быть полезной в тех случаях, когда необходим маломощный источник отрицательного напряжения, например, при использовании операционных усилителей, требующих двуполярного питания.
Все зарядовые насосы представляют собой смесь переключателей и конденсаторов. В большинстве интегральных вариантов таких схем используются MOSFET переключатели с низким сопротивлением открытого канала, управляемые встроенным тактовым генератором. Конденсаторы никогда не включаются в состав микросхем, что позволяет выбирать их тип и емкость в зависимости от рабочей частоты и требований к пульсациям выходного напряжения, которое может быть как стабилизированным, так и нестабилизированным.
На Рисунке 3 показана типичная конфигурация зарядового насоса, используемого в интегральных схемах. Четыре MOSFET ключа синхронно управляются внутренним тактовым генератором: S2 включается вместе с S3, а S1 – вместе с S4.
|
||||||
| Рисунок 3. | Типичная микросхема зарядового насоса с интегрированными MOSFET переключателями, внешними конденсаторами и внешней цепью стабилизации (а). Схема интегрального инвертирующего зарядового насоса (б). |
|||||
На Рисунке 3a изображена классическая схема удвоителя напряжения. Когда ключи S2 и S3 замкнуты, а S1 и S4 открыты, «плавающий» конденсатор C1 заряжается до напряжения V. В следующей половине цикла, когда ключи S2 и S3 разомкнуты, а S1 и S4 замкнуты, конденсатор C1, последовательно соединенный с входом, заряжает конденсатор С2. Выходное напряжение, без учета падения напряжения на открытых каналах MOSFET, будет равно 2V. Обратите внимание на делитель напряжения обратной связи, обеспечивающей стабилизацию выходного напряжения.
В инвертирующей версии зарядового насоса, показанной на Рисунке 3б, когда ключи S1 и S3 замкнуты, а S2 и S4 разомкнуты, «плавающий» конденсатор С1 заряжается до напряжения V. В следующей половине цикла ключи S1 и S3 открываются, а S2 и S4 замыкаются, и C1 отдает заряд конденсатору С2. Поскольку верхний по схеме вывод конденсатора С2 соединен с общим проводом, выходное напряжение на его противоположном выводе будет равно –V.
Типовые области применения
Зарядовые насосы идеальны для устройств, в которых для большинства цепей используется мощный одноканальный источник питания, но требуются вспомогательные слаботочные источники. Многим современным микросхемам и компонентам требуется несколько напряжений питания, и во многих случаях эти дополнительные напряжения можно получить с помощью зарядовых насосов.
Классическим примером может служить микросхема MAX232, зарядовый насос которой из входного напряжения 5 В формирует двуполярное напряжение от ±3 В до ±25 В, необходимое для питания приемопередатчиков популярного последовательного интерфейса RS-232. Другими примерами являются схема питания приемопередатчика USB от низковольтной батареи или формирователь напряжения смещения TFT-LCD матриц.
Некоторым микропроцессорам, также как многим микросхемам EEPROM и флэш-памяти, необходим вспомогательный источник питания. В большинстве случаев для формирования этих дополнительных напряжений используются встроенные зарядовые насосы.
Достоинства и недостатки зарядовых насосов
По сравнению с другими основными типами DC/DC преобразователей и стабилизаторов зарядовые насосы имеют ряд существенных преимуществ:
- Простота.
- Низкая стоимость. Меньшее количество компонентов. Отсутствие дросселей.
- Меньшая площадь, занимаемая на плате. Меньшая высота.
- Примерно на 20% более высокий КПД, чем у линейных стабилизаторов.
- Возможность понижения, повышения и инвертирования напряжения.
- Большой выбор производителей микросхем.
Конечно, зарядовые насосы не идеальны и не могут использоваться в любой конструкции, но недостатков у них немного:
- Лучше всего подходят для небольших нагрузок, не превышающих 200 мА.
- Импульсный режим работы схемы является источником электромагнитных помех.
- Более низкий КПД, чем у преобразователей с дросселями.
Сравнение с альтернативными вариантами
Создавая новое устройство с DC/DC преобразователем или стабилизатором, вы имеете возможность выбора между зарядовым насосом, LDO-регулятором или импульсным преобразователем на основе дросселя. Достоинства и недостатки каждого варианта перечислены в Таблице 1.
| Таблица 1. | Сравнение различных типов DC/DC преобразователей и стабилизаторов | ||||||||||||
|
|||||||||||||
Указания по конструированию
Создавая зарядовый насос на дискретных компонентах, необходимо использовать диоды Шоттки, отличающиеся лучшим быстродействием и более низким падением напряжения (0.2…04 В). При низких частотах переключения допускается использование электролитических или танталовых конденсаторов, однако следует учитывать, что высокое значение эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) таких конденсаторов уменьшает КПД схемы.
При использовании специализированных микросхем зарядовых насосов для получения наилучшего КПД следует выбирать керамические конденсаторы для поверхностного монтажа с низкими ESR. Емкости конденсаторов зависят от частоты переключения. Электролитические и танталовые конденсаторы использовать не следует из-за высоких значений ESR. Кроме того, при работе некоторых микросхем меняется полярность напряжений, что может привести к повреждению внешних компонентов, поэтому необходимо строго следовать рекомендациям производителей микросхем.
