Зарядный насос - Charge pump

Двухступенчатый нагнетательный насос с питанием постоянного тока и сигналом управления насосом S0
Зарядный насос Диксона с диодами
Зарядный насос Диксона с МОП-транзисторами
Зарядный насос PLL

А зарядный насос это своего рода Преобразователь постоянного тока в постоянный который использует конденсаторы для накопления энергетического заряда для повышения или понижения Напряжение. Цепи нагнетательного насоса способны эффективность, иногда достигает 90–95%, будучи электрически простыми схемами.

Описание

Зарядные насосы 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, который заряжает его до того же напряжения. На втором этапе схема реконфигурируется так, чтобы конденсатор был включен последовательно с источником питания и нагрузкой. Это удваивает напряжение на нагрузке - сумму первоначального напряжения питания и напряжения конденсатора. Импульсный характер коммутируемого выхода более высокого напряжения часто сглаживается использованием выходного конденсатора.

Внешняя или вторичная цепь управляет переключением, обычно на десятки килограммов.герц до нескольких мегагерц. Высокая частота сводит к минимуму требуемую емкость, так как меньше заряда необходимо хранить и сбрасывать за более короткий цикл.

Зарядные насосы могут удваивать напряжение, утроить напряжение, уменьшать напряжение вдвое, инвертировать напряжения, дробно умножать или масштабировать напряжения (например, × 3/2, × 4/3, × 2/3 и т. Д.) И генерировать произвольные напряжения, быстро переключаясь 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 - минимизация энергопотребления за счет тщательного контроля напряжения питания.

Терминология для PLL

Период, термин зарядный насос также обычно используется в ФАПЧ (ФАПЧ) даже при отсутствии накачки, в отличие от схемы, описанной выше. Зарядный насос PLL - это просто биполярный переключаемый источник тока. Это означает, что он может выводить положительные и отрицательные импульсы тока в контурный фильтр ФАПЧ. Он не может производить напряжение выше или ниже, чем его уровни питания и заземления.

Приложения

  • Обычное применение схем подкачки заряда находится в RS-232 переключатели уровня, где они используются для получения положительного и отрицательного напряжения (часто +10 В и -10 В) из одного 5 В или 3 В шина питания.
  • Загрузочные насосы также могут использоваться в качестве ЖК-дисплей или белый-ВЕЛ драйверы, генерирующие высокие напряжения смещения от одного источника низкого напряжения, такого как аккумулятор.
  • Насосы заряда широко используются в памяти NMOS и микропроцессорах для генерации отрицательного напряжения «VBB» (около -3 В), которое подключается к подложке. Это гарантирует, что все переходы N + к подложке имеют обратное смещение на 3 В или более, уменьшая емкость перехода и увеличивая скорость цепи.[1]
  • Зарядный насос, обеспечивающий отрицательный скачок напряжения использовался в NES-совместимых играх, не лицензированных Nintendo, чтобы оглушить Чип блокировки Nintendo Entertainment System.[2]
  • По состоянию на 2007 год зарядные насосы интегрированы почти во все EEPROM и флэш-память интегральные схемы. Этим устройствам требуется импульс высокого напряжения для «очистки» любых существующих данных в определенной ячейке памяти, прежде чем они могут быть записаны с новым значением. Ранние устройства EEPROM и flash-памяти требовали двух источников питания: +5 В (для чтения) и +12 В (для стирания). По состоянию на 2007 год, 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 встроенной накачкой заряда.
  • Нагнетательные насосы используются в Мосты H в высокие драйверы за ворота n-канал высокого давления силовые МОП-транзисторы и БТИЗ. Когда в центре полумоста понижается уровень, конденсатор заряжается через диод, и этот заряд используется для последующего управления затвором полевого транзистора верхнего плеча на несколько вольт выше напряжения источника, 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 «самозагрузки», и некоторые будут различать ее и подкачки заряда (которая не требует такого переключения).
  • Схема вертикального отклонения в ЭЛТ-мониторах. Например, с использованием микросхемы TDA1670A. Для достижения максимального отклонения катушке ЭЛТ требуется ~ 50 В. Уловка с подкачкой заряда от линии питания 24 В устраняет необходимость в другом напряжении.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Jenne, F. "Substrate Bias Circuit", патент США 3794862A, 26 февраля 1974 г.
  2. ^ Кевин Хортон. Colordreams Редакция C. Последнее изменение 30 сентября 2007 г. Проверено 15 сентября 2011 г.

Применение концепции эквивалентного резистора для расчета потерь мощности в зарядных насосах

  • Максвелл, Дж. (1873 г.). «Прерывистый ток Арт. 775, 776». Трактат об электричестве и магнетизме. Оксфорд: Кларендон Пресс. С. 420–5.
  • Певица, З .; Emanuel, A .; Эрлики, М. С. (февраль 1972 г.). «Регулировка мощности с помощью переключаемого конденсатора». Труды института инженеров-электриков. 119 (2): 149–152. Дои:10.1049 / piee.1972.0027.
  • van Steenwijk, G .; Hoen, K .; Валлинга, Х. (1993). «Анализ и разработка схемы накачки заряда для приложений с высоким выходным током». Proc. 19-я Европейская конференция по твердотельным схемам (ESSCIRC). С. 118–121.
  • Kimball, J.W .; Крейн, П.Т .; Кэхилл, К. (Декабрь 2005 г.). «Моделирование импеданса конденсаторов в импульсных преобразователях». Письма IEEE Power Electronics. 3 (4): 136–140. Дои:10.1109 / LPEL.2005.863603. S2CID  27467492.
  • Кию Ито; Масаси Хоригути; Хитоши Танака (2007). Наноразмерные воспоминания сверхнизкого напряжения. Серия по интегральным схемам и системам. Springer. ISBN  978-0-387-68853-4.
  • Seeman, M.D .; Сандерс, С. (Март 2008 г.). «Анализ и оптимизация преобразователей постоянного тока с переключаемыми конденсаторами». IEEE Transactions по силовой электронике. 23 (2): 841–851. Bibcode:2008ITPE ... 23..841S. Дои:10.1109 / TPEL.2007.915182.
  • Бен-Яаков, С .; Евзельман, М. (2009). «Типовая и унифицированная модель преобразователей коммутируемых конденсаторов». 2009 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, Сан-Хосе, Калифорния. С. 3501–8. Дои:10.1109 / ECCE.2009.5316060. ISBN  978-1-4244-2893-9. S2CID  9116733.
  • Бен-Яаков, С. (январь 2012 г.). «О влиянии коммутационных сопротивлений на потери в преобразователе с коммутируемым конденсатором». IEEE Transactions по промышленной электронике. 59 (1): 638–640. Дои:10.1109 / TIE.2011.2146219. S2CID  18901243.

Зарядные насосы, в которых напряжения на конденсаторах соответствуют двоичной системе счисления.

  • Ueno, F .; Inoue, T .; Оота, И. (1986). «Реализация нового трансформатора на коммутируемых конденсаторах с повышающим коэффициентом 2n – 1 с использованием n конденсаторов». Международный симпозиум IEEE по схемам и системам (ISCAS). С. 805–8.
  • Starzyk, J.A .; Инь-Вэй Ян; Фэнцзин Цю (март 2001 г.). «Конструкция зарядного насоса DC-DC на основе удвоителей напряжения». IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications. 48 (3): 350–9. Дои:10.1109/81.915390.
  • Фанг Линь Ло; Хун Е (июнь 2004 г.). «Двухтактные переключаемые конденсаторные Luo-преобразователи с положительным выходом и несколькими лифтами». IEEE Transactions по промышленной электронике. 51 (3): 594–602. Дои:10.1109 / TIE.2004.825344. S2CID  22202569.
  • Бен-Яаков, С .; Кушнеров, А. (2009). «Алгебраические основы самонастраивающихся преобразователей коммутируемых конденсаторов». 2009 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, Сан-Хосе, Калифорния. С. 1582–9. Дои:10.1109 / ECCE.2009.5316143. ISBN  978-1-4244-2893-9. S2CID  12915415.

внешняя ссылка