Charge pump что это

Зарядный насос — Charge pump

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.

Содержание

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.

Нагнетательный насос — Charge pump

Двухступенчатый нагнетательный насос с источником постоянного напряжения и управляющим сигналом S 0 Зарядный насос Диксона с диодами Зарядный насос Диксона с полевыми МОП-транзисторами Зарядный насос с ФАПЧ

A зарядный насос — это своего рода преобразователь постоянного тока, в котором используются конденсаторы для накопления энергии. для повышения или понижения напряжения. Цепи подкачки заряда обладают высокой эффективностью, иногда достигающей 90–95%, при этом будучи электрически простыми цепями.

Содержание

• 1 Описание
• 2 Терминология для PLL
• 3 Приложения
• 4 См. Также
• 5 Ссылки
• 6 Внешние ссылки

Описание

Нагнетательные насосы используйте какую-либо форму коммутационного 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 с более высоким напряжением часто сглаживается за счет использования выходного конденсатора.

Внешняя или вторичная цепь управляет переключением, обычно от десятков килогерц герц до нескольких мегагерц. Высокая частота сводит к минимуму требуемую емкость, так как меньше заряда нужно 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 путем быстрого переключения между режимами в зависимости от контроллера и топологии схемы.

Они обычно используются в маломощной электронике (например, мобильных телефонах) для повышения и понижения напряжения в различных частях схемы — минимизация энергопотребления путем тщательного контроля напряжения питания.

Терминология для ФАПЧ

Термин «накачка заряда» также обычно используется в схемах с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ), несмотря на то, что в отличие от схемы, накачки не происходит. обсуждалось выше. Зарядный насос с ФАПЧ — 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 более высокие или более низкие напряжения, чем его уровни питания и заземления.

Приложения

• Общее применение схем накачки заряда находится в RS-232переключателях 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 .
• Зарядные насосы также могут использоваться в качестве драйверов ЖКД или белых- светодиодов, генерирующих высокие напряжения смещения от одного источника низкого напряжения, такого как аккумулятор.
• Насосы заряда широко используются в памяти NMOS и микропроцессорах для генерирования отрицательного напряжения «VBB» (около -3 В), которое соединяется с подложкой. Это гарантирует, что все переходы N + -подложка имеют обратное смещение на 3 В или более, уменьшая емкость перехода и увеличивая скорость цепи.
• Был использован зарядный насос, обеспечивающий отрицательный скачок напряжения в NES-совместимых играх, не лицензированных Nintendo, для отключения микросхемы блокировки Nintendo Entertainment System.
• С 2007 года насосы заряда интегрированы почти во все EEPROM и флэш-память интегральные схемы. Этим устройствам требуется импульс высокого напряжения для «очистки» любых существующих данных в конкретной 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 для коммерчески доступной 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.
• Зарядные насосы используются в H мостах в драйверах верхнего плеча для управления затвором n-канального верхнего плеча силовых MOSFET и IGBT. 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) также можно назвать схемой «самозагрузки», и некоторые будут различать ее и подкачки заряда (для которой такое переключение не требуется).
• Вертикально цепь отклонения в ЭЛТ-мониторах. Например, с использованием микросхемы TDA1670A. Для достижения максимального отклонения катушке ЭЛТ требуется

См. Также

Ссылки

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

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

Сигнал управления Charge Pump

Сигнал/функция ChargePump – логический аналог сигнала ENABLE, но физически выполнен по другому. Срабатывание происходит не по логическому уровню 0/1, а по наличию/отсутствию частоты на входе блока.

Блок обработки сигнала/функции ChargePump выполнен по следующей схеме — если на входе блока присутствует сигнал с некоторой частотой (меандр 3-15 Кгц) то на выходе блока появляется лог. «1», если на входе нет частоты (присутствует постоянный уровень 0 или 5В) то на выходе блока лог. «0». Выход блока подключен к ENABLE драйвера. Таким образом получается что если на вход блока подать частоту, драйвер включится (ENABLE = «1»), если убрать частоту драйвер выключится (ENABLE = «0»).

Такое управление позволяет обезопасить станок от «зависания» программы управления (если MACH зависнет, то генерация частоты автоматически прекратится и драйвер отключится). Кроме этого сигнал ChargePump позволяет исключить произвольное включение/выключение реле и драйверов ШД при перезагрузке ПК (состояние LPT порта при загрузке ПК не контролируется). Т. е. драйвер находится в рабочем состоянии только при успешно запущенной/работоспособной программе управления станком ЧПУ.

Charge Pump Circuit — Getting Higher Voltage from Low Voltage Source

The situation is simple – you have a low voltage supply rail, say 3.3V, and you want to power something that needs 5V. This is a tough call, especially if batteries are involved. The only apparent way is a switch mode converter, more specifically a boost converter.

This is where we hit a roadblock – boost converters are inefficient at low powers, since a lot of energy is consumed just for keeping the regulation on point and driving the power switch. Also, switch mode converters of this type are noisy – this is a problem if you’re dealing with sensitive circuitry. You’re in the uncomfortable position of an over-engineered solution. Linear regulators don’t work in reverse, so that’s ruled out as under-engineered.

So where do we draw the line between over-engineered and under-engineered?

The answer to this problem is the Charge Pump – which by itself is a kind of switch mode power supply. As the name suggests, this kind of converter moves discrete charges around and the component that stores these discrete charges is the capacitor, so this kind of converter is also called the Flying Capacitor Converter.

A charge pump creates discrete multiples of the input voltage using capacitors.

How does a Charge Pump Work?

The best way to understand this is to imagine the following situation.

You charge a capacitor using a 9V battery, so the voltage across the capacitor is also 9V. Then you take another capacitor and charge it up to 9V too. Now connect the two capacitors in series, and measure the voltage across them – 18V.

This is the basic principle of operation of the charge pump – take two capacitors, charge them individually and then put them in series, though in a real charge pump the rearranging is done electronically.

Of course this is not limited to just two capacitors, successive stages can be cascaded to obtain higher voltages on the output.

Limitations of Charge Pumps

Before we build one, it is a good idea to get to know the limitations of charge pumps.

1. Available output current – since charge pumps are nothing but capacitors that are charged and discharged in cycles, the available current is very low – there are rare cases where using the right chip can get you 100mA, but at low efficiencies.

2. The more stages you add does not mean that the voltage output increases that many times – each stage loads the output of the previous stage, so the output is not a perfect multiple of the input. This problem gets worse the more stages you add.

Building a Charge Pump Circuit

The circuit shown here is for a simple three stage charge pump that uses the evergreen 555 timer IC. In a sense, this circuit is ‘modular’ – stages can be cascaded to increase the output voltage (with limitation number two in mind).

Components Required

1. For the 555 Oscillator

• 555 timer – bipolar variant
• 10uF electrolytic capacitor (decoupling)
• 2x 100nF ceramic capacitor (decoupling)
• 100pF ceramic capacitor (timing)
• 1K resistor (timing)
• 10K resistor (timing)

2. For the Charge Pump

• 6x IN4148 diodes (UF4007 also recommended)
• 5x 10uF electrolytic capacitors
• 100uF electrolytic capacitor

An important thing to note is that all the capacitors used in the charge pump must be rated for a few volts more than the expected output voltage.

Circuit Diagram

This is how it looks on breadboard:

Charge Pump Circuit Description

1. The 555 Timer

The circuit shown here is a straightforward 555 timer astable oscillator. The timing components result in a frequency of around 500kHz (which for a bipolar 555 is a feat in itself). This high frequency ensures that the capacitors on the charge pump are ‘refreshed’ periodically so that the voltage on the output does not have too much ripple.

2. The Charge Pump

This is the most intimidating part of the whole circuit. Like most other things it can be understood by breaking it down to a single unit:

Let’s assume that pin 3, the output of the 555 timer, is low during startup. This results in the capacitor charging through the diode since the negative terminal is now grounded. When the output goes high, the negative pin goes high too – but since there’s already a charge on the capacitor (that can’t go anywhere because of the diode) the voltage seen at the positive terminal of the capacitor is effectively double the input voltage.

Here’s the positive terminal of the capacitor:

The final result is that you’re effectively adding an offset of V_CC to the output of the 555 timer.

Now this voltage directly as an output is useless, since there’s a massive 50% ripple. To solve this, we add a peak detector as shown in below figure:

This is the output of above circuit:

And we’ve successfully doubled the voltage output!

Circuit Construction Tips

The bipolar 555 is known for the supply spikes it generates on the supply rail, since the output push-pull stage almost short the supply during transitions. So decoupling is mandatory.

I’ll take a quick detour to tell you something about proper decoupling.

Here’s the V_CC pin of the oscillator without any decoupling:

And here’s the same pin with proper decoupling:

You can clearly see the difference a little bit of decoupling makes.

Low inductance ceramic SMD capacitors are recommended for the charge pump stage. Schottky diodes with a low forward voltage drop also improve performance.

Using a CMOS 555 with a proper output stage (maybe even a gate driver like the TC4420) can reduce (but not eliminate) the supply spikes.

Charge Pump Variations

Charge pumps not only increase voltage, they can be used to invert voltage polarity.

This circuit works the same way as the voltage doubler – when the 555 output goes high, the cap charges up, and when the output goes low charge is pulled through the second capacitor in the reverse direction, creating a negative voltage on the output.

Where do I use a Charge Pump?

• Bipolarity supply for op-amps in a circuit where only a single voltage is available. Op-amps do not consume much current so this is a perfect fit. The nice thing about this is that an inverter and a doubler can be driven from the same output, creating, say, ±12V supply from a 5V supply.
• Gate drivers – bootstrapping is an option but a charge pump has the potential to generate higher voltage, say, having a 12V gate drive from a 3.3V supply. Bootstrapping wouldn’t give you more than 7V in this case.

So Charge pumps are simple and efficient devices used to create discrete multiples of the input voltage.