Введение
Большинство инженеров знакомы с повышающими преобразователями, которые повышают выходное напряжение VOUT до значения большего, чем входное напряжение VIN. Они также знакомы с повышающе-понижающими преобразователями и преобразователями с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью (SEPIC), которые могут обеспечить значение VOUT выше, ниже или равное VIN в зависимости от того, что требуется для принимающего устройства.
Преобразователь с зарядовым насосом – тип DC/DC-преобразователя, в котором для повышения или понижения напряжения используются конденсаторы. Такие преобразователи часто занимают меньшую площадь, имеют высокий КПД и невероятно экономичны. Они часто используются в подсветке жидкокристаллических дисплеев на тонкопленочных транзисторах (TFT-LCD), в оптических модулях, а также могут управлять транзистором верхнего плеча (n-канальным MOSFET) в схемах понижающих преобразователей.
Зарядовые насосы, работающие как удвоители напряжения
Традиционно преобразователи на основе зарядовых насосов часто работают как удвоители напряжения, которые заряжают конденсаторы от напряжения VIN, а затем коммутируют заряды, чтобы получить напряжение VOUT в точности вдвое большее, чем VIN. Основной принцип прост: нужно зарядить и разрядить конденсатор, а затем, используя тот факт, что конденсатор может хранить заряд, изолировать этот заряд от цепи заряда и пропустить его через цепь разряда.
На этапе заряда два из четырех ключей (Q1 и Q4) замыкаются, а два других ключа (Q2 и Q3) размыкаются. Это позволяет зарядить конденсатор С1 входным напряжением VIN (см. Рисунок 1).
 |
|
| Рисунок 1. | Функциональная схема удвоителя напряжения. |
Далее следует этап преобразования. На этом этапе транзисторы Q1 и Q4 размыкаются, тогда как Q2 и Q3 замыкаются, так как напряжение на конденсаторе не может измениться мгновенно. Затем C1 разряжается на выходной конденсатор COUT.
Перенос заряда осуществляется за счет такой конфигурации замкнутых ключей, что VOUT = 2×VIN.
Применение зарядовых насосов
В следующих разделах представлены классические приложения для преобразователей с зарядовым насосом.
Использование зарядового насоса для управления MOSFET верхнего плеча в понижающей схеме
В качестве примера рассмотрим понижающую схему. Для управления MOSFET верхнего плеча и гарантии того, что напряжение затвор-исток VGS превышает пороговое напряжение VTH, может потребоваться бутстрепная схема, повышающая напряжение на затворе.
Из Рисунка 2 видно, что процесс заряда и разряда конденсатора C1 завершается за один цикл переключения, по окончании которого напряжение на затворе повышается. Зарядовые насосы используются не только в бутстрепных схемах повышающих преобразователей. Они также могут использоваться для управления MOSFET верхнего плеча в полумостовых и полномостовых схемах.
 |
|
| Рисунок 2. | Использование зарядового насоса для управления MOSFET верхнего плеча. |
Использование зарядового насоса в повышающей схеме
В приложениях с повышающим преобразователем максимального выходного напряжения может быть недостаточно для некоторых устройств, таких, например, как источник питания TFT-LCD дисплеев. Рассмотрим преобразователь, который обычно используется в источниках питания схем на основе TFT. Ситуация, когда требуемое выходное напряжение превышает 25 В, а вывод SW не допускает напряжения более 25 В, требует поиска решения.
Разработчики могут найти микросхемы, способные выдерживать более высокие напряжения, но такие микросхемы дороже. В этом случае может быть добавлена схема зарядового насоса (см. Рисунок 3). С помощью нескольких дополнительных компонентов повышающий преобразователь получает новое выходное напряжение VOUT2, вдвое превышающее собственное выходное напряжение VOUT1. На Рисунке 3 показано использование зарядового насоса в повышающем преобразователе на основе микросхемы MP1542 с рабочей частотой 700 кГц/ 1.3 МГц.
 |
|
| Рисунок 3. | Зарядовый насос в повышающей схеме. |
На Рисунке 4 показано упрощенное изображение схемы Рисунок 3.
 |
|
| Рисунок 4. | Упрощенное изображение схемы повышающего преобразователя с зарядовым насосом. |
На Рисунке 5 показан общий процесс заряда. Когда транзистор Q1 включается, конденсатор C1 передает энергию в C2, вследствие чего напряжение на C2 повышается до тех пор, пока первое напряжение (V1) не сравняется со вторым (V2). Когда Q1 выключается, второй конденсатор C2 передает энергию на выход, так что конечное напряжение V3 равно V2 + V1, или 2×V1.
 |
|
| Рисунок 5. | Общий процесс заряда на функциональной схеме преобразователя. |
Приложения с отрицательным выходным напряжением на основе зарядового насоса
Зарядовые насосы могут использоваться в приложениях как с положительным, так и с отрицательным выходным напряжением. Поскольку зарядовые насосы требуют меньшего количества периферийных компонентов и занимают меньше места, они являются популярным выбором для таких приложений.
На Рисунке 6 показана схема, в которой для того, чтобы выходное напряжение VOUT было равно –VIN, требуется всего 4 внутренних MOSFET микросхемы. Этой схеме не нужны внешние дроссели, что снижает общую стоимость и упрощает конструкцию. Это компактное и низкопрофильное решение подходит для широкого спектра приложений, включая оптические модули, радиочастотные усилители и источники питания датчиков.
 |
|
| Рисунок 6. | Зарядовый насос в приложениях с отрицательным напряжением VOUT. |
В Таблице 1 приведены различия между традиционными индуктивными DC/DC преобразователями и емкостными DC/DC преобразователями.
| Таблица 1. | Сравнение индуктивных и емкостных DC/DC преобразователей | ||||||||
|
|||||||||
Заключение
Преобразователи с зарядовым насосом являются малозатратными решениями, позволяющими эффективно удваивать выходной сигнал относительно входного. Разработчики должны выбирать DC/DC преобразователь, отвечающий требованиям их приложений.
Купить MP1542 на РадиоЛоцман.Цены
