Насосы заряда: принципы работы и применение.

Введение

Электрический преобразователь

Зарядный насос — это вид DC-DC преобразователя, использующий конденсаторы для накопления энергии с целью повышения или понижения напряжения. Схемы зарядных насосов способны достигать высокой эффективности, иногда до 90–95%, при этом оставаясь электрически простыми.

Описание

Насосы заряда используют переключающее устройство для управления подключением напряжения питания к нагрузке через конденсатор в двухтактном цикле. На первом такте конденсатор подключается к источнику питания, заряжаясь до его напряжения. На втором такте схема переконфигурируется таким образом, что конденсатор включается последовательно с источником питания и нагрузкой. Это удваивает напряжение на нагрузке – до суммы исходного напряжения питания и напряжения конденсатора. Пульсирующий характер выходного напряжения, полученного с помощью переключения, часто сглаживается выходным конденсатором. Переключением управляет внешняя или вторичная схема, обычно с частотой от десятков килогерц до нескольких мегагерц. Высокая частота минимизирует необходимую ёмкость, поскольку требуется хранить и разряжать меньший заряд за более короткий цикл. Насосы заряда могут удваивать, утраивать, уменьшать вдвое, инвертировать напряжения, дробно умножать или масштабировать напряжения (например, ×1.5, ×2.5, ×3.5 и т.д.) и генерировать произвольные напряжения, быстро переключаясь между режимами в зависимости от контроллера и топологии схемы. Они широко используются в маломощной электронике (например, в мобильных телефонах) для повышения и понижения напряжения для различных частей схемы, минимизируя энергопотребление за счет точного управления напряжением питания.

Терминология для PLL

Термин "зарядный насос" также часто используется в схемах фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), даже несмотря на то, что в них отсутствует эффект "накачки", в отличие от схемы, описанной выше. Зарядный насос ФАПЧ – это, по сути, биполярный коммутируемый источник тока. Это означает, что он может выдавать в фильтр ФАПЧ положительные и отрицательные импульсы тока. Он не способен генерировать напряжения выше или ниже уровней своего питания и земли.

Приложения

Общим применением цепей заряда (насоса заряда) является использование в преобразователях уровней RS 232, где они применяются для получения положительных и отрицательных напряжений (часто +10 В и −10 В) от одной шины питания 5 В или 3 В. Цепи заряда также могут использоваться в качестве драйверов LCD или белых светодиодов, генерируя высокие напряжения смещения от одного источника низкого напряжения, например, батареи. Цепи заряда широко используются в памяти NMOS и микропроцессорах для генерации отрицательного напряжения "VBB" (около −3 В), которое подключается к подложке. Это гарантирует, что все p-n переходы N+ с подложкой будут смещены в обратном направлении на 3 В или более, что уменьшает емкость перехода и увеличивает скорость работы схемы. Цепь заряда, обеспечивающая отрицательный импульс напряжения, использовалась в играх, совместимых с NES, но не лицензированных Nintendo, для блокировки чипа защиты Nintendo Entertainment System. По состоянию на 2007 год цепи заряда интегрированы почти во все интегральные схемы EEPROM и флэш-памяти. Эти устройства требуют импульса высокого напряжения для "очистки" любых существующих данных в конкретной ячейке памяти перед записью нового значения. Ранние устройства EEPROM и флэш-памяти требовали двух источников питания: +5 В (для чтения) и +12 В (для стирания). С 2007 года коммерчески доступные флэш-память и EEPROM-память требуют только один внешний источник питания – обычно 1,8 В или 3,3 В. Более высокое напряжение, используемое для стирания ячеек, генерируется внутренне цепью заряда на кристалле. Цепи заряда используются в H-мостах в драйверах высокого плеча для управления затворами силовых MOSFET и IGBT с высоким плечом. Когда центральная точка полумоста опускается до низкого уровня, конденсатор заряжается через диод, и этот заряд используется для последующего управления затвором MOSFET высокого плеча на несколько вольт выше напряжения истока, чтобы включить его. Эта стратегия хорошо работает, при условии, что мост регулярно переключается, избегая сложности использования отдельного источника питания и позволяя использовать более эффективные устройства с n-каналом для обоих ключей. Эта схема (требующая периодического переключения MOSFET высокого плеча) также может называться схемой "bootstrap", и некоторые проводят различие между ней и цепью заряда (которой такое переключение не требуется). Схема вертикального отклонения в мониторах CRT, например, с использованием микросхемы TDA1670A. Для достижения максимального отклонения катушке ЭЛТ требуется около 50 В. Использование цепи заряда от линии питания 24 В устраняет необходимость в дополнительном напряжении. Высокопроизводительные решения для быстрой зарядки мобильных устройств используют цепь заряда вместо понижающего преобразователя для снижения напряжения, поскольку более высокая эффективность снижает тепловыделение. Samsung Galaxy S23, потребляющий входной ток 3 А, может заряжать свои внутренние аккумуляторы током 6 А благодаря токовому усилителю 2:1. 240 Вт SUPERVOOC от Oppo идет еще дальше и использует три параллельных цепи заряда (заявленная эффективность 98%) для преобразования 24 В / 10 А в 10 В / 24 А, которые затем потребляются двумя параллельными аккумуляторными батареями.

A common application for charge pump circuits is in RS 232 level shifters, where they are used to derive positive and negative voltages (often +10 V and −10 V) from a single 5 V or 3 V power supply rail. Charge pumps can also be used as LCD or white LED drivers, generating high bias voltages from a single low voltage supply, such as a battery. Charge pumps are extensively used in NMOS memories and microprocessors to generate a negative voltage "VBB" (about −3 V), which is connected to the substrate. This guarantees that all N+ to substrate junctions are reversely biased by 3 V or more, decreasing junction capacitance and increasing circuit speed. A charge pump providing a negative voltage spike has been used in NES compatible games not licensed by Nintendo in order to stun the Nintendo Entertainment System lockout chip. As of 2007, charge pumps are integrated into nearly all EEPROM and flash memory integrated circuits. These devices require a high voltage pulse to "clean out" any existing data in a particular memory cell before it can be written with a new value. Early EEPROM and flash memory devices required two power supplies: +5 V (for reading) and +12 V (for erasing). as of 2007, commercially available flash memory and EEPROM memory requires only one external power supply – generally 1.8 V or 3.3 V. A higher voltage, used to erase cells, is generated internally by an on chip charge pump. Charge pumps are used in H bridges in high side drivers for gate driving high side n channel power MOSFETs and IGBTs. When the centre of a half bridge goes low, the capacitor is charged through a diode, and this charge is used to later drive the gate of the high side FET a few volts above the source voltage so as to switch it on. This strategy works well, provided the bridge is regularly switched and avoids the complexity of having to run a separate power supply and permits the more efficient n channel devices to be used for both switches. This circuit (requiring the periodic switching of the high side FET) may also be called a "bootstrap" circuit, and some would differentiate between that and a charge pump (which would not require that switching). Vertical deflection circuit in CRT monitors. With use of ic TDA1670A for example. To achieve maximum deviation, the CRT coil needs ~50v. The charge pump trick from the 24v supply line eliminates the need for another voltage. Higher power fast charge solutions for mobile devices rely on a charge pump instead of a buck converter to reduce the voltage, as higher efficiency reduces heat generation. The Samsung Galaxy S23, which takes an input current of 3A, can charge its internal battery packs at 6A thanks to a 2:1 current pump. Oppo's 240W SUPERVOOC goes further and uses three charge pumps in parallel (98% claimed efficiency) to go from 24V/10A to 10V/24A, which is then taken by two parallel battery packs.