Двухступенчатый накачивающий заряд с питанием постоянным напряжением и сигналом управления накачкой S 0Насос заряда Диксона с диодамиЗарядный насос Диксона с МОП-транзисторамиНасос заряда ФАПЧ
Накачка заряда — это своего рода преобразователь постоянного тока в постоянный , который использует конденсаторы для хранения энергетического заряда для повышения или понижения напряжения . Схемы накачки заряда обладают высоким КПД , иногда достигающим 90–95%, но при этом являются электрически простыми схемами.
Описание
Насосы заряда используют некоторую форму переключающего устройства для управления подключением напряжения питания к нагрузке через конденсатор в двухступенчатом цикле. На первом этапе к источнику питания подключается конденсатор, заряжающий его до того же напряжения. На втором этапе схема переконфигурируется таким образом, чтобы конденсатор был включен последовательно с источником питания и нагрузкой. Это удваивает напряжение на нагрузке — сумму исходного напряжения питания и напряжения конденсатора. Импульсный характер коммутируемого выхода с более высоким напряжением часто сглаживается за счет использования выходного конденсатора.
Внешняя или вторичная цепь управляет переключением, обычно на частоте от десятков килогерц до нескольких мегагерц. Высокая частота сводит к минимуму требуемую емкость, поскольку необходимо хранить и сбрасывать меньше заряда за более короткий цикл.
Насосы заряда могут удваивать, утроять напряжение, уменьшать напряжение вдвое, инвертировать напряжение, дробно умножать или масштабировать напряжения (например, × 3 ⁄ 2 , × 4 ⁄ 3 , × 2 ⁄ 3 и т. д.) и генерировать произвольные напряжения путем быстрого переключения режимов. , в зависимости от контроллера и топологии схемы.
Они обычно используются в маломощной электронике (например, в мобильных телефонах) для повышения и понижения напряжения в различных частях схемы, минимизируя энергопотребление за счет тщательного контроля напряжения питания.
Терминология для ФАПЧ
Термин « накачка заряда» также часто используется в схемах с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ), хотя в отличие от схемы, описанной выше, здесь не происходит накачки. Накачка заряда ФАПЧ представляет собой просто биполярный переключаемый источник тока. Это означает, что он может выводить положительные и отрицательные импульсы тока в контурный фильтр ФАПЧ. Он не может производить более высокое или более низкое напряжение, чем его уровни питания и заземления.
Приложения
Обычное применение схем зарядового насоса — в преобразователях уровня RS-232 , где они используются для получения положительных и отрицательных напряжений (часто +10 В и –10 В) от одной шины питания 5 В или 3 В.
Насосы заряда также можно использовать в качестве драйверов ЖК-дисплея или белых светодиодов , генерируя высокое напряжение смещения от одного источника низкого напряжения, например, от батареи.
Насосы заряда широко используются в NMOS-памяти и микропроцессорах для генерации отрицательного напряжения «VBB» (около –3 В), которое подается на подложку. Это гарантирует, что все переходы N+-подложка будут смещены в обратном направлении на 3 В или более, уменьшая емкость перехода и увеличивая скорость схемы. [1]
По состоянию на 2007 год насосы заряда интегрированы почти во все интегральные схемы EEPROM и флэш-памяти . Этим устройствам требуется высоковольтный импульс для «очистки» любых существующих данных в конкретной ячейке памяти, прежде чем в нее можно будет записать новое значение. Ранним устройствам EEPROM и флэш-памяти требовалось два источника питания: +5 В (для чтения) и +12 В (для стирания). По состоянию на 2007 год [обновлять]для имеющейся в продаже флэш-памяти и памяти EEPROM требуется только один внешний источник питания — обычно 1,8 В или 3,3 В. Более высокое напряжение, используемое для стирания ячеек, генерируется внутри чипа зарядового насоса.
Насосы заряда используются в H-мостах в драйверах верхнего плеча для управления затвором n-канальных силовых MOSFET и IGBT верхнего плеча . Когда центр полумоста переходит в низкий уровень, конденсатор заряжается через диод, и этот заряд используется для последующего возбуждения затвора полевого транзистора верхнего плеча на несколько вольт выше напряжения истока, чтобы включить его. Эта стратегия работает хорошо, при условии, что мост регулярно переключается и позволяет избежать сложностей, связанных с использованием отдельного источника питания, и позволяет использовать более эффективные n-канальные устройства для обоих коммутаторов. Эту схему (требующую периодического переключения полевого транзистора верхнего плеча) также можно назвать схемой «начальной загрузки», и некоторые будут различать ее и накачку заряда (которая не требует такого переключения).
Схема вертикального отклонения в ЭЛТ-мониторах. Например, с использованием микросхемы TDA1670A. Для достижения максимального отклонения катушке ЭЛТ необходимо ~50 В. Трюк с накачкой заряда от линии питания 24 В устраняет необходимость в другом напряжении.
Решения для быстрой зарядки более мощных мобильных устройств используют зарядный насос вместо понижающего преобразователя для снижения напряжения, поскольку более высокая эффективность снижает выделение тепла. Samsung Galaxy S23, потребляющий входной ток 3 А, может заряжать внутренние аккумуляторы током 6 А благодаря токовой помпе 2:1. [3] Oppo SUPERVOOC мощностью 240 Вт идет еще дальше и использует три зарядных насоса параллельно (заявленный КПД 98% [4] ) для перехода от напряжения 24 В/10 А к 10 В/24 А, которое затем передается двум параллельным аккумуляторным блокам. [5]
^ К., Балакумар (1 марта 2022 г.). «Oppo заявляет о новом уровне быстрой зарядки с помощью SUPERVOOC мощностью 240 Вт — мы объясняем это». ТехРадар .
Применение концепции эквивалентного резистора для расчета потерь мощности в зарядовых насосах
Максвелл, Дж. К. (1873). «Прямой ток Ст. 775, 776». Трактат об электричестве и магнетизме . Оксфорд: Кларендон Пресс. стр. 420–5.
Зингер, З.; Эмануэль, А.; Эрлицки, М.С. (февраль 1972 г.). «Регулирование мощности с помощью переключаемого конденсатора». Труды Института инженеров-электриков . 119 (2): 149–152. дои : 10.1049/piee.1972.0027.
ван Стенвейк, Г.; Хоэн, К.; Валлинга, Х. (1993). «Анализ и проектирование схемы зарядовой накачки для приложений с высоким выходным током». Учеб. 19-я Европейская конференция по твердотельным схемам (ESSCIRC) . Том. 1. С. 118–121.
Кимбалл, JW; Крейн, ПТ; Кэхилл, КР (декабрь 2005 г.). «Моделирование сопротивления конденсаторов в импульсных преобразователях». Письма IEEE по силовой электронике . 3 (4): 136–140. дои : 10.1109/LPEL.2005.863603. S2CID 27467492.
Кию Ито; Масаси Хоригучи; Хитоши Танака (2007). Наномасштабные памяти сверхнизкого напряжения. Серия по интегральным схемам и системам. Спрингер. ISBN 978-0-387-68853-4.
Симан, доктор медицины; Сандерс, СР (март 2008 г.). «Анализ и оптимизация преобразователей постоянного тока с переключаемыми конденсаторами». Транзакции IEEE по силовой электронике . 23 (2): 841–851. Бибкод : 2008ITPE...23..841S. дои : 10.1109/TPEL.2007.915182. S2CID 7011962.
Бен-Яаков С.; Евзельман, М. (2009). «Общая и унифицированная модель преобразователей с переключаемыми конденсаторами». Конгресс и выставка IEEE по преобразованию энергии , 2009 г. стр. 3501–8. дои : 10.1109/ECCE.2009.5316060. ISBN 978-1-4244-2893-9. S2CID 9116733.
Бен-Яаков, С. (январь 2012 г.). «О влиянии сопротивлений переключателей на потери преобразователя с переключаемыми конденсаторами». Транзакции IEEE по промышленной электронике . 59 (1): 638–640. дои : 10.1109/TIE.2011.2146219. S2CID 18901243.
Насосы заряда, в которых напряжения на конденсаторах соответствуют двоичной системе счисления.
Уэно, Ф.; Иноуэ, Т.; Оота, И. (1986). «Реализация нового трансформатора с переключаемыми конденсаторами с коэффициентом трансформации 2n–1 с использованием n конденсаторов». Международный симпозиум IEEE по схемам и системам (ISCAS) . стр. 805–8.
Старзик, Ю.А.; Ин-Вэй Ян; Фэнцзин Цю (март 2001 г.). «Конструкция зарядового насоса постоянного тока на основе удвоителей напряжения». Транзакции IEEE в схемах и системах I: Фундаментальная теория и приложения . 48 (3): 350–9. дои : 10.1109/81.915390.
Фан Линь Ло; Хун Е (июнь 2004 г.). «Двухтактные Luo-конвертеры с переключаемыми конденсаторами и положительным выходом». Транзакции IEEE по промышленной электронике . 51 (3): 594–602. дои : 10.1109/TIE.2004.825344. S2CID 22202569.
Бен-Яаков С.; Кушнеров, А. (2009). «Алгебраические основы саморегулирующихся преобразователей с переключаемыми конденсаторами». Конгресс и выставка IEEE по преобразованию энергии , 2009 г. стр. 1582–9. дои : 10.1109/ECCE.2009.5316143. ISBN 978-1-4244-2893-9. S2CID 12915415.
Алласасме, Ю.; Грегори, С. (ноябрь 2018 г.). «Высокопроизводительные повышающе-понижающие преобразователи мощности с переключаемыми конденсаторами». Транзакции IEEE в схемах и системах I: Регулярные статьи . 65 (11): 3970–3983. дои : 10.1109/TCSI.2018.2863239. ISSN 1558-0806. S2CID 52932169.
Преобразователи постоянного тока в постоянный ток накачки заряда. Приложения, схемы и решения с использованием безиндукторных преобразователей постоянного тока (зарядовая накачка).
Преобразование постоянного/постоянного тока без индукторов. Общее описание работы подкачивающего насоса; примеры приложений, использующих контроллеры Maxim.
Обзор цепей подкачивающего насоса [ постоянная мертвая ссылка ] . Учебник Дж. Палумбо и Д. Паппалардо
