Насос заряда

Зарядовый насос Диксона с МОП-транзисторами

Зарядовый насос — это разновидность преобразователя постоянного тока в постоянный , который использует конденсаторы для накопления энергетического заряда, чтобы повышать или понижать напряжение . Схемы зарядового насоса способны достигать высокой эффективности , иногда достигающей 90–95%, при этом являясь электрически простыми схемами.

Описание

Зарядовые насосы используют некоторую форму коммутационного устройства для управления подключением напряжения питания через нагрузку через конденсатор в двухступенчатом цикле. На первом этапе конденсатор подключается к источнику питания, заряжая его до того же напряжения. На втором этапе схема перенастраивается таким образом, что конденсатор оказывается 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 частотах от десятков килогерц до нескольких мегагерц. Высокая частота минимизирует требуемую емкость, поскольку требуется хранить и сбрасывать меньше заряда за более короткий цикл.

Зарядовые насосы могут удваивать напряжение, утраивать напряжение, уменьшать напряжение вдвое, инвертировать напряжение, дробно умножать или масштабировать напряжение (например, × 3 ⁄ 2 , × 4 ⁄ 3 , × 2 ⁄ 3 и т. д.) и генерировать произвольные напряжения путем быстрого переключения между режимами 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, что позволяет минимизировать потребление энергии за счет тщательного контроля напряжения питания.

Терминология для PLL

Термин «зарядный насос» также часто используется в схемах с фазовой автоподстройкой частоты (PLL), хотя в отличие от рассмотренной выше схемы здесь нет действия накачки. Зарядный насос PLL — это просто биполярный коммутируемый источник тока. Это означает, что он может выводить положительные и отрицательные импульсы тока в фильтр контура PLL. Он не может выдавать более высокие или более низкие напряжения, чем его уровни питания и заземления.

Приложения

Распространенным применением схем с подкачкой заряда являются преобразователи уровня RS-232 , где они используются для получения положительных и отрицательных напряжений (часто +10 В и -10 В) из одной шины питания 5 В или 3 В.
Зарядовые насосы также могут использоваться в качестве драйверов ЖК-дисплеев или белых светодиодов , генерируя высокие напряжения смещения от одного низковольтного источника питания, например, батареи.
Зарядовые насосы широко используются в NMOS-памяти и микропроцессорах для генерации отрицательного напряжения "VBB" (около −3 В), которое подключается к подложке. Это гарантирует, что все переходы N+-подложка будут смещены в обратном направлении на 3 В или более, что снижает емкость перехода и увеличивает скорость цепи. ^[1]
В играх, совместимых с NES и не лицензированных Nintendo, использовался зарядовый насос, создающий отрицательный скачок напряжения , чтобы заглушить чип блокировки Nintendo Entertainment System . ^[2]
По состоянию на 2007 год зарядовые насосы были интегрированы почти во все интегральные схемы EEPROM и флэш-памяти . Эти устройства требуют высоковольтного импульса для «очистки» любых существующих данных в конкретной ячейке памяти, прежде чем в нее можно будет записать новое значение. Ранние устройства EEPROM и флэш-памяти требовали два источника питания: +5 В (для чтения) и +12 В (для стирания). По состоянию на 2007 год ^{[обновлять]}коммерчески доступные флэш-память и память EEPROM требуют только одного внешнего источника питания — обычно 1,8 В или 3,3 В. Более высокое напряжение, используемое для стирания ячеек, генерируется внутри чипа зарядового насоса.
Зарядовые насосы используются в мостах H в драйверах верхней стороны для управления затвором силовых МОП-транзисторов и БТИЗ с n-каналом верхней стороны . Когда центр полумоста становится низким, конденсатор заряжается через диод, и этот заряд используется для последующего управления затвором полевого транзистора верхней стороны на несколько вольт выше напряжения источника, чтобы включить его. Эта стратегия хорошо работает, при условии, что мост регулярно переключается, и позволяет избежать сложности, связанной с необходимостью использования отдельного источника питания, и позволяет использовать более эффективные n-канальные устройства для обоих переключателей. Эту схему (требующую периодического переключения полевого транзистора верхней стороны) можно также назвать схемой «бутстреп», и некоторые будут различать ее и зарядовый насос (который не требует такого переключения).
Схема вертикального отклонения в ЭЛТ-мониторах . Например, с использованием TDA1670A. Для достижения максимального отклонения катушке ЭЛТ требуется ~50 В. Трюк с подкачкой заряда от линии питания 24 В устраняет необходимость в другом напряжении.
Более мощные решения для быстрой зарядки мобильных устройств используют зарядный насос вместо понижающего преобразователя для снижения напряжения, поскольку более высокая эффективность снижает тепловыделение. Samsung Galaxy S23, который потребляет входной ток 3 А, может заряжать свои внутренние аккумуляторные блоки при 6 А благодаря токовому насосу 2:1. ^{[3] 240-ваттный}SUPERVOOC от Oppo идет дальше и использует три зарядных насоса параллельно (заявленная эффективность 98% ^[4] ) для перехода от 24 В/10 А к 10 В/24 А, которые затем принимаются двумя параллельными аккумуляторными блоками. ^[5]

Смотрите также

Ссылки

^ Дженн, Ф. «Схема смещения подложки», патент США 3794862A, 26 февраля 1974 г.
^ Кевин Хортон. Colordreams Revision C. Последнее изменение 2007-09-30. Доступ 2011-09-15.
↑ Выпуск, Пресса (25 июля 2022 г.). «Смартфоны — 2:1 Charge Pump Direct Charger». Новости силовой электроники .
^ «OPPO 超级闪充四大技术全面突破，布局多终端、多场景闪充生态 | OPPO 官方网站» . OPPO (на китайском (Китай)).
^ К., Балакумар (1 марта 2022 г.). «Oppo заявляет о новом уровне быстрой зарядки с помощью 240 Вт SUPERVOOC — мы объясняем это». TechRadar .

Применение концепции эквивалентного резистора для расчета потерь мощности в зарядовых насосах

Максвелл, Дж. К. (1873). «Прерывистый ток. Статья 775, 776». Трактат об электричестве и магнетизме . Оксфорд: The Clarendon Press. С. 420–5.
Singer, Z.; Emanuel, A.; Erlicki, MS (февраль 1972 г.). «Регулирование мощности с помощью переключаемого конденсатора». Труды Института инженеров-электриков . 119 (2): 149–152. doi :10.1049/piee.1972.0027.
van Steenwijk, G.; Hoen, K.; Wallinga, H. (1993). «Анализ и проектирование схемы подкачки заряда для приложений с высоким выходным током». Труды 19-й Европейской конференции по твердотельным схемам (ESSCIRC) . Том 1. стр. 118–121.
Кимбалл, Дж. В.; Крейн, ПТ; Кэхилл, КР (декабрь 2005 г.). «Моделирование импеданса конденсатора в импульсных преобразователях». IEEE Power Electronics Letters . 3 (4): 136–140. doi :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.
Seeman, MD; Sanders, SR (март 2008 г.). «Анализ и оптимизация преобразователей постоянного тока с коммутируемыми конденсаторами». Труды IEEE по силовой электронике . 23 (2): 841–851. Bibcode : 2008ITPE...23..841S. doi : 10.1109/TPEL.2007.915182. S2CID 7011962.
Бен-Яаков, С.; Эвзельман, М. (2009). «Общая и унифицированная модель преобразователей с коммутируемыми конденсаторами». Конгресс и выставка IEEE по преобразованию энергии 2009 г. С. 3501–8. doi :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 преобразователей с переключаемыми конденсаторами». Труды IEEE по промышленной электронике . 59 (1): 638–640. doi :10.1109/TIE.2011.2146219. S2CID 18901243.

Зарядовые насосы, в которых напряжение на конденсаторах соответствует двоичной системе счисления

Уэно, Ф.; Иноуэ, Т.; Оота, И. (1986). «Реализация нового трансформатора с коммутируемыми конденсаторами и повышающим коэффициентом трансформации 2n–1 с использованием n конденсаторов». Международный симпозиум IEEE по схемам и системам (ISCAS) . стр. 805–8.
Starzyk, JA; Ying-Wei Jan; Fengjing Qiu (март 2001 г.). «Конструкция DC-DC-зарядного насоса на основе удвоителей напряжения». Труды IEEE по схемам и системам I: Фундаментальная теория и приложения . 48 (3): 350–9. doi :10.1109/81.915390.
Фан Линь Ло; Хун Йе (июнь 2004 г.). «Преобразователи Luo с положительным выходом и множественным подъемом и переключением конденсаторов». Труды IEEE по промышленной электронике . 51 (3): 594–602. doi :10.1109/TIE.2004.825344. S2CID 22202569.
Бен-Яаков, С.; Кушнеров, А. (2009). «Алгебраические основы саморегулирующихся преобразователей на коммутируемых конденсаторах». Конгресс и выставка IEEE по преобразованию энергии 2009 г. С. 1582–9. doi :10.1109/ECCE.2009.5316143. ISBN 978-1-4244-2893-9. S2CID 12915415.
Allasasmeh, Y.; Gregori, S. (ноябрь 2018 г.). «Высокопроизводительные повышающе-понижающие интегрированные силовые преобразователи с коммутируемым конденсатором». IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers . 65 (11): 3970–3983. doi :10.1109/TCSI.2018.2863239. ISSN 1558-0806. S2CID 52932169.

Внешние ссылки

Зарядовый насос, безиндукторный, регуляторы напряжения
Проектирование высоковольтного генератора на кристалле
Преобразователи постоянного тока с подкачкой заряда. Приложения, схемы и решения с использованием безындукционных (с подкачкой заряда) преобразователей постоянного тока.
Преобразование постоянного тока в постоянный без индукторов. Общее описание работы зарядового насоса; примеры приложений с использованием контроллеров Maxim.
Обзор схем подкачки заряда ^{[ постоянная мертвая ссылка ]} . Учебное пособие от G. Palumbo и D. Pappalardo