Зарядный насос

Двухступенчатый накачивающий заряд с питанием постоянным напряжением и сигналом управления накачкой S ₀

Насос заряда Диксона с диодами

Зарядный насос Диксона с МОП-транзисторами

Насос 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 переключаемого 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, рассмотренной 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

• Обычно схемы зарядового насоса применяются в RS-232 преобразователях уровня , 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.
• Накачка заряда, создающая всплеск отрицательного напряжения, использовалась в NES-совместимых играх, не лицензированных Nintendo, для того, чтобы оглушить чип блокировки Nintendo Entertainment System .
• 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 определенной 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 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 кристалла с помощью зарядного насоса, встроенного в кристалл.
• Насосы заряда используются в H-мостах в драйверах верхнего плеча для управления затвором верхнего плеча n-канальных силовых MOSFET и IGBT . 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) можно также 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.
• более мощных Решения для быстрой зарядки 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. Oppo SUPERVOOC мощностью 240 Вт идет дальше и использует три зарядных насоса параллельно (заявленный КПД 98%). ) для перехода от 24 В/10 А к 10 В/24 А, которое затем передается двум параллельным аккумуляторным блокам.

См. также

• Генератор Кокрофта – Уолтона
• Умножитель напряжения
• Коммутируемый конденсатор
• Переключатель передачи заряда
• Удвоитель напряжения

Ссылки

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 накачки заряда 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 : 2008ИТПЭ...23..841С . 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 .

Внешние ссылки

• Зарядовый насос, безиндукторный, регуляторы напряжения
• Встроенный высоковольтный генератор
• Преобразователи постоянного тока в постоянный ток накачки заряда . Приложения, схемы и решения с использованием безиндукторных преобразователей постоянного тока (накачки заряда).
• Преобразование постоянного тока в постоянный без индукторов . Общее описание работы подкачивающего насоса; примеры приложений, использующих контроллеры Maxim.
• Обзор схем зарядового насоса . Учебник Дж. Палумбо и Д. Паппалардо