Ladda pumpkretsen

Situationen är enkel - du har en lågspänningsförsörjningsskena, säg 3,3V, och du vill driva något som behöver 5V. Detta är ett tufft samtal, särskilt om batterier är inblandade. Det enda uppenbara sättet är en switch-omvandlare, mer specifikt en boost-omvandlare.

Det är här vi träffar en spärr - boost-omvandlare är ineffektiva vid låg effekt, eftersom mycket energi förbrukas bara för att hålla regleringen på plats och driva strömbrytaren. Omkopplare av denna typ är också bullriga - det här är ett problem om du har att göra med känsliga kretsar. Du befinner dig i en obekväm position för en överkonstruerad lösning. Linjära regulatorer fungerar inte i omvänd ordning, så det är uteslutet som underutvecklat.

Så var drar vi gränsen mellan överutvecklad och underutvecklad?

Svaret på detta problem är laddpumpen - som i sig är en slags strömbrytare. Som namnet antyder flyttar den här typen av omvandlare diskreta laddningar runt och komponenten som lagrar dessa diskreta laddningar är kondensatorn, så den här typen av omvandlare kallas också Flying Capacitor Converter.

En laddningspump skapar diskreta multiplar av ingångsspänningen med hjälp av kondensatorer.

Hur fungerar en laddpump?

Det bästa sättet att förstå detta är att föreställa sig följande situation.

Du laddar en kondensator med ett 9V batteri, så spänningen över kondensatorn är också 9V. Sedan tar du en annan kondensator och laddar upp till 9V också. Anslut nu de två kondensatorerna i serie och mät spänningen över dem - 18V.

Detta är den grundläggande principen för laddningspumpens drift - ta två kondensatorer, ladda dem var för sig och lägg dem sedan i serie, men i en riktig laddningspump görs omläggningen elektroniskt.

Naturligtvis är detta inte begränsat till bara två kondensatorer, successiva steg kan kaskaderas för att erhålla högre spänningar på utgången.

Begränsningar av laddpumpar

Innan vi bygger en är det en bra idé att lära känna begränsningarna för laddpumpar.

1. Tillgänglig utgångsström - eftersom laddningspumpar inte är annat än kondensatorer som laddas och urladdas i cykler är den tillgängliga strömmen mycket låg - det finns sällsynta fall att använda rätt chip kan ge dig 100 mA, men med låg effektivitet.

2. Ju fler steg du lägger till betyder inte att spänningsutgången ökar så många gånger - varje steg laddar utgången från föregående steg, så utgången är inte en perfekt multipel av ingången. Detta problem blir värre ju fler steg du lägger till.

Bygga en laddningspumpkrets

Kretsen som visas här är för en enkel laddningspump i tre steg som använder den vintergröna 555 timer IC. På ett sätt är denna krets 'modulär' - steg kan kaskaderas för att öka utspänningen (med begränsning nummer två i åtanke).

Komponenter krävs

1. För 555-oscillatorn

555 timer - bipolär variant
10uF elektrolytkondensator (frikoppling)
2x keramisk kondensator på 100nF (frikoppling)
100pF keramisk kondensator (timing)
1K motstånd (timing)
10K motstånd (timing)

2. För laddningspumpen

6x IN4148-dioder (UF4007 rekommenderas också)
5x 10uF elektrolytkondensatorer
100uF elektrolytkondensator

En viktig sak att notera är att alla kondensatorer som används i laddningspumpen måste klassas för några volt mer än den förväntade utspänningen.

Kretsschema

Så här ser det ut på brädbrädan:

Laddningspumpens kretsbeskrivning

1. 555-timern

Kretsen som visas här är en okomplicerad 555 timer-oscillator. Tidskomponenterna resulterar i en frekvens på cirka 500 kHz (vilket för en bipolär 555 är en bedrift i sig själv). Denna höga frekvens säkerställer att kondensatorerna på laddpumpen "uppdateras" regelbundet så att spänningen på utgången inte får för mycket krusning.

2. Laddningspumpen

Detta är den mest skrämmande delen av hela kretsen. Som de flesta andra saker kan det förstås genom att bryta ner det till en enda enhet:

Låt oss anta att stift 3, utgången från 555-timern, är låg under start. Detta resulterar i att kondensatorn laddas genom dioden eftersom den negativa terminalen nu är jordad. När utgången blir hög blir den negativa stiftet också högt - men eftersom det redan finns en laddning på kondensatorn (som inte kan gå någonstans på grund av dioden) är spänningen som ses vid kondensatorns positiva terminal dubbelt ingångsspänningen.

Här är kondensatorns positiva terminal:

Det slutliga resultatet är att du effektivt lägger till en förskjutning av V _CC till utgången från 555-timern.

Nu är denna spänning direkt som utgång värdelös, eftersom det finns en massiv 50% krusning. För att lösa detta lägger vi till en toppdetektor enligt bilden nedan:

Detta är utgången från ovanstående krets:

Och vi har framgångsrikt fördubblat spänningseffekten!

Tips för kretskonstruktion

Den bipolära 555 är känd för de tillförselspikar den genererar på matarskenan, eftersom utmatnings-push-pull-steget nästan förkortar matningen under övergångar. Så frikoppling är obligatorisk.

Jag tar en snabb omväg för att berätta något om korrekt frikoppling.

Här är oscillatorns V _CC- stift utan frikoppling:

Och här är samma stift med korrekt frikoppling:

Du kan tydligt se skillnaden lite av frikopplingen gör.

SMD-kondensatorer med låg induktans rekommenderas för laddningspumpsteget. Schottky-dioder med lågt spänningsfall framåt förbättrar också prestandan.

Att använda en CMOS 555 med ett korrekt utgångssteg (kanske till och med en grindförare som TC4420) kan minska (men inte eliminera) försörjningspinnarna.

Laddningspumpens variationer

Laddpumpar ökar inte bara spänningen, de kan användas för att invertera spänningens polaritet.

Den här kretsen fungerar på samma sätt som spänningsfördubblaren - när 555-utgången blir hög laddas locket och när utgången går lågt dras genom den andra kondensatorn i omvänd riktning, vilket skapar en negativ spänning på utgången.

Var använder jag en laddpump?

Bipolaritetsförsörjning för op-förstärkare i en krets där endast en enda spänning är tillgänglig. Op-förstärkare förbrukar inte mycket ström så det här passar perfekt. Det fina med detta är att en växelriktare och en fördubblare kan drivas från samma utgång, vilket skapar, säg, ± 12V matning från en 5V matning.
Portdrivare - bootstrapping är ett alternativ, men en laddningspump har potential att generera högre spänning, till exempel att ha en 12V gate-enhet från en 3,3V-matning. Bootstrapping skulle inte ge dig mer än 7V i det här fallet.

Så laddningspumpar är enkla och effektiva enheter som används för att skapa diskreta multiplar av ingångsspänningen.