Plnicí čerpadlo - Charge pump

Dvoustupňové plnicí čerpadlo s napájením stejnosměrným napětím a řídicím signálem čerpadla S 0
Nabíjecí čerpadlo Dickson s MOSFETy
Plnicí čerpadlo PLL

Poplatek čerpadlo je druh DC-DC měnič , který využívá kondenzátory pro energické kapacitního zvýšit nebo snížit napětí . Obvody nabíjecího čerpadla jsou schopné dosáhnout vysoké účinnosti , někdy až 90–95%, přičemž jde o elektricky jednoduché obvody.

Popis

Nabíjecí čerpadla používají nějakou formu spínacího zařízení k řízení připojení napájecího napětí přes zátěž přes kondenzátor. Ve dvoustupňovém cyklu je v prvním stupni kondenzátor připojen přes napájecí zdroj a nabíjí jej na stejné napětí. Ve druhé fázi je obvod překonfigurován tak, aby byl kondenzátor zapojen do série s napájením a zátěží. To zdvojnásobuje napětí napříč zátěží - součet původního napájecího napětí a napětí kondenzátoru. Pulzující povaha spínaného výstupu vyššího napětí je často vyhlazena použitím výstupního kondenzátoru.

Externí nebo sekundární obvod řídí přepínání, obvykle při desítkách kilogramů hertzu až po několik megahertzů. Vysoká frekvence minimalizuje požadovanou kapacitu, protože je třeba uložit a vyřadit méně náboje v kratším cyklu.

Nabíjecí čerpadla mohou zdvojnásobit napětí, trojitá napětí, snížit napětí na polovinu, invertovat napětí, frakčně znásobit nebo zmenšit napětí (například × 3/2, × 4/3, × 2/3 atd.) A generovat libovolná napětí rychlým střídáním mezi režimy , v závislosti na topologii řadiče a obvodu.

Obvykle se používají v elektronice s nízkým výkonem (například v mobilních telefonech) ke zvyšování a snižování napětí pro různé části obvodů - minimalizace spotřeby energie při pečlivém řízení napájecího napětí.

Terminologie pro PLL

Termín nabíjecí čerpadlo se také běžně používá v obvodech fázově uzavřené smyčky (PLL), i když na rozdíl od výše diskutovaného obvodu není zapojena žádná čerpací akce. Nabíjecí čerpadlo PLL je pouze bipolární zdroj spínaného proudu. To znamená, že může vysílat kladné a záporné proudové impulsy do smyčkového filtru PLL. Nemůže produkovat vyšší nebo nižší napětí než je jeho úroveň napájení a zem.

Aplikace

  • Běžné užití pro obvody nabíjení-čerpadlo je v RS-232 posunovače na úrovni , kde jsou použité k získání pozitivní a negativní napětí (často 10 V a 10 V) z jedné 5 V nebo 3 V napájecí kolejnice .
  • Nabíjecí pumpy lze také použít jako ovladače LCD nebo bílé LED , které generují vysoké zkreslení napětí z jediného zdroje nízkého napětí, jako je baterie.
  • V nábojích NMOS a mikroprocesorech se široce používají nabíjecí pumpy ke generování záporného napětí „VBB“ (asi −3 V), které je připojeno k substrátu. To zaručuje, že všechny spoje N + -substrát jsou předpjaté 3 V nebo více, což snižuje kapacitu spojení a zvyšuje rychlost obvodu.
  • V hrách kompatibilních s NES, které nejsou licencovány společností Nintendo, byla použita nabíjecí pumpa poskytující špičku záporného napětí za účelem omráčení blokovacího čipu Nintendo Entertainment System .
  • Od roku 2007 jsou nabíjecí pumpy integrovány do téměř všech integrovaných obvodů EEPROM a flash-memory . Tato zařízení vyžadují vysokonapěťový puls k „vyčištění“ všech existujících dat v konkrétní paměťové buňce, než je lze zapsat s novou hodnotou. Časná zařízení EEPROM a flash paměti vyžadovala dva napájecí zdroje: +5 V (pro čtení) a +12 V (pro mazání). Od roku 2007 vyžaduje komerčně dostupná flash paměť a paměť EEPROM pouze jeden externí zdroj napájení - obvykle 1,8 V nebo 3,3 V. Vyšší napětí, které se používá k mazání článků, je interně generováno nabíjecím čerpadlem na čipu.
  • Plnicí čerpadla se používají v H můstcích v budících na vysoké straně pro řízení MOSFETů na vysoké straně n-kanálového napájení na vysoké straně a IGBT . Když střed polovičního můstku poklesne, kondenzátor se nabije diodou a tento náboj se použije k pozdějšímu pohonu brány FET na vysoké straně o několik voltů nad zdrojové napětí, aby se zapnul. Tato strategie funguje dobře, za předpokladu, že je most pravidelně přepínán a vyhýbá se složitosti nutnosti provozu samostatného napájecího zdroje a umožňuje použití efektivnějších n-kanálových zařízení pro oba přepínače. Tento obvod (vyžadující periodické přepínání FET na vysoké straně) lze také nazvat obvodem „bootstrap“ a některé by rozlišovaly mezi tímto a nabíjecím čerpadlem (které by toto přepínání nevyžadovalo).
  • Obvod vertikálního vychylování v monitorech CRT. Například s použitím ic TDA1670A. K dosažení maximální odchylky potřebuje CRT cívka ~ 50V. Trik nabíjecího čerpadla z napájecího vedení 24 V eliminuje potřebu dalšího napětí.

Viz také

Reference

  1. ^ Jenne, F. „Substrát Bias Circuit“, US patent 3794862A, 26. února 1974.
  2. ^ Kevin Horton. Colordreams Revision C . Poslední úprava 30. 9. 2007. Přístupné 15. 9. 2011.

Uplatnění ekvivalentního konceptu rezistoru na výpočet ztrát energie v nabíjecích čerpadlech

  • Maxwell, JC (1873). „Přerušovaný proud čl. 775, 776“. Pojednání o elektřině a magnetismu . Oxford: Clarendon Press. str. 420–5.
  • Singer, Z .; Emanuel, A .; Erlicki, MS (únor 1972). "Regulace výkonu pomocí spínaného kondenzátoru". Sborník institucí elektrotechniků . 119 (2): 149–152. doi : 10,1049 / kus1972,0027 .
  • van Steenwijk, G .; Hoen, K .; Wallinga, H. (1993). "Analýza a návrh obvodu nabíjecího čerpadla pro aplikace s vysokým výstupním proudem" . Proc. 19. Evropská konference o polovodičových obvodech (ESSCIRC) . str. 118–121.
  • Kimball, JW; Kerin, PT; Cahill, KR (prosinec 2005). "Modelování impedance kondenzátoru ve spínacích měničích". Dopisy výkonové elektroniky IEEE . 3 (4): 136–140. doi : 10.1109 / LPEL.2005.863603 . S2CID   27467492 .
  • Kiyoo Itoh; Masashi Horiguchi; Hitoshi Tanaka (2007). Paměti nanoúrovně s velmi nízkým napětím . Série o integrovaných obvodech a systémech. Springer. ISBN   978-0-387-68853-4 .
  • Seeman, MD; Sanders, SR (březen 2008). "Analýza a optimalizace stejnosměrných měničů se spínaným kondenzátorem". Transakce IEEE na výkonové elektronice . 23 (2): 841–851. Bibcode : 2008ITPE ... 23..841S . doi : 10.1109 / TPEL.2007.915182 .
  • Ben-Yaakov, S .; Evzelman, M. (2009). Msgstr "Obecný a jednotný model převodníků se spínanými kondenzátory". Congress 2009 IEEE Energy Conversion a expozice, San Jose, CA . 3501–8. doi : 10.1109 / ECCE.2009.5316060 . ISBN   978-1-4244-2893-9 . S2CID   9116733 .
  • Ben-Yaakov, S. (leden 2012). „O vlivu odporů spínačů na ztráty převodníků se spínanými kondenzátory“. Transakce IEEE na průmyslovou elektroniku . 59 (1): 638–640. doi : 10.1109 / TIE.2011.2146219 . S2CID   18901243 .

Nabíjejte čerpadla tam, kde napětí na kondenzátorech sledují systém binárních čísel

  • Ueno, F .; Inoue, T .; Oota, I. (1986). "Realizace nového transformátoru spínaných kondenzátorů s převodovým poměrem 2n – 1 pomocí n kondenzátorů". IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS) . str. 805–8.
  • Starzyk, JA; Ying-Wei Jan; Fengjing Qiu (březen 2001). „Konstrukce nabíjecího čerpadla DC-DC založená na zdvojovačích napětí“. Transakce IEEE na obvodech a systémech I: Základní teorie a aplikace . 48 (3): 350–9. doi : 10,1109 / 81,915390 .
  • Fang Lin Luo; Hong Ye (červen 2004). "Konvertory Luo s pozitivním výstupem, vícenásobným zdvihem, push-pull a kondenzátorem". Transakce IEEE na průmyslovou elektroniku . 51 (3): 594–602. doi : 10.1109 / TIE.2004.825344 . S2CID   22202569 .
  • Ben-Yaakov, S .; Kushnerov, A. (2009). Msgstr "Algebraický základ samonastavovacích převodníků spínaných kondenzátorů". Congress 2009 IEEE Energy Conversion a expozice, San Jose, CA . str. 1582–9. doi : 10.1109 / ECCE.2009.5316143 . ISBN   978-1-4244-2893-9 . S2CID   12915415 .

externí odkazy