Töltőszivattyú - Charge pump

Kétfokozatú töltőszivattyú DC feszültségellátással és S 0 szivattyúvezérlő jellel
Dickson töltőszivattyú diódákkal
Dickson töltőszivattyú MOSFET-ekkel
PLL töltőszivattyú

A töltőszivattyú egyfajta DC-DC átalakító , amely kondenzátorokat használ az energetikai töltés tárolására a feszültség emeléséhez vagy csökkentéséhez . A töltőszivattyús áramkörök nagy hatékonyságra képesek , néha akár 90–95% -ra is, miközben elektromosan egyszerű áramkörök.

Leírás

A töltőszivattyúk valamilyen kapcsolóeszközt használnak a tápfeszültség kondenzátoron keresztüli terhelésen történő összekapcsolásának vezérlésére. Kétlépcsős ciklusban az első szakaszban egy kondenzátor csatlakozik a tápfeszültséghez, és ugyanarra a feszültségre tölti fel. A második szakaszban az áramkört úgy alakítják át, hogy a kondenzátor sorban álljon az ellátással és a terheléssel. Ez megduplázza a terhelés teljes feszültségét - az eredeti táp és a kondenzátor feszültségeinek összegét. A nagyobb feszültségű kapcsolt kimenet pulzáló jellegét gyakran egy kimeneti kondenzátor használata simítja.

Külső vagy másodlagos áramkör hajtja a kapcsolást, jellemzően több tíz kilós hertz sebességgel akár több megahertzig. A magas frekvencia minimálisra csökkenti a szükséges kapacitás mennyiségét, mivel kevesebb töltést kell tárolni és rövidebb ciklus alatt kell lerakni.

A töltőszivattyúk kettős feszültséget, hármas feszültséget, felét felfelé fordító feszültséget, invert feszültséget, töredékesen szorozást vagy skála feszültséget (például × 3/2, × 4/3, × 2/3 stb.) Hozhatnak létre, és tetszőleges feszültségeket generálhatnak az üzemmódok gyors váltogatásával. , a vezérlőtől és az áramkör topológiájától függően.

Általában alacsony fogyasztású elektronikában (például mobiltelefonokban) használják az áramkör különböző részeinek feszültségének emelésére és csökkentésére - a tápfeszültségek gondos szabályozásával minimalizálják az energiafogyasztást.

A PLL terminológiája

A töltőszivattyú kifejezést a fáziszárt hurok (PLL) áramkörökben is gyakran használják, annak ellenére, hogy a fent tárgyalt áramkörtől eltérően nincs szivattyúzás. A PLL töltőszivattyú csupán egy bipoláris kapcsolású áramforrás. Ez azt jelenti, hogy pozitív és negatív áramimpulzusokat tud kibocsátani a PLL hurokszűrőjébe. Nem tud magasabb vagy alacsonyabb feszültséget produkálni, mint a tápellátása és a földi tápellátása.

Alkalmazások

  • A töltőszivattyús áramkörök általános alkalmazása az RS-232 szintváltókban található , ahol pozitív és negatív feszültségek (gyakran +10 V és −10 V) levezetésére szolgálnak egyetlen 5 V vagy 3 V tápvezetékről .
  • A töltőszivattyúk LCD- ként vagy fehér LED- meghajtóként is használhatók, és egyetlen kisfeszültségű áramforrásból, például akkumulátorból nagy előfeszültséget generálnak.
  • A töltőszivattyúkat széles körben használják az NMOS memóriákban és a mikroprocesszorokban, hogy negatív "VBB" (kb. -3 V) feszültséget hozzanak létre, amely az aljzathoz csatlakozik. Ez garantálja, hogy az összes N + -szubsztrát csomópont fordítva torzuljon 3 V-mal vagy annál nagyobb mértékben, csökkentve a csomópont kapacitását és növelve az áramkör sebességét.
  • Negatív feszültség-csúcsot biztosító töltőszivattyút használtak NES-kompatibilis játékokban, amelyeket a Nintendo nem engedélyezett, hogy elkábítsák a Nintendo Entertainment System lockout chipjét .
  • 2007-től a töltőszivattyúkat szinte az összes EEPROM és flash memória integrált áramkörbe integrálják. Ezekhez az eszközökhöz nagyfeszültségű impulzus szükséges, hogy "megtisztítsák" az adott memóriacellában lévő összes adatot, mielőtt új értékkel írhatnák. A korai EEPROM és a flash memória eszközök két tápegységet igényeltek: +5 V (olvasáshoz) és +12 V (törléshez). 2007-től a kereskedelemben kapható flash memóriához és az EEPROM memóriához csak egy külső tápegységre van szükség - általában 1,8 V vagy 3,3 V. A cellák törléséhez használt nagyobb feszültséget egy chipen lévő töltőszivattyú belsőleg hozza létre.
  • A töltőszivattyúkat a magas oldalsó meghajtók H-hídjaiban használják a kapu-meghajtású magas oldali n-csatornás teljesítményű MOSFET - ek és IGBT-k számára . Amikor egy fél híd közepe alacsonyra süllyed, a kondenzátort egy diódán keresztül töltjük, és ezt a töltetet arra használjuk, hogy később a magas oldali FET kapuját néhány fokkal a forrásfeszültség fölött meghajtjuk, hogy bekapcsolhassuk. Ez a stratégia jól működik, feltéve, hogy a hidat rendszeresen kapcsolják, és elkerüli a külön tápegység működtetésének bonyolultságát, és lehetővé teszi a hatékonyabb n csatornás eszközök használatát mindkét kapcsolónál. Ezt az áramkört (amely a magas oldali FET időszakos kapcsolását igényli) "bootstrap" áramkörnek is nevezhetjük, és egyesek megkülönböztetnék ezt és egy töltőszivattyút (ami nem igényelné ezt a kapcsolást).
  • Függőleges alakváltási áramkör a CRT monitorokban. Például az ic TDA1670A használatával. A maximális eltérés elérése érdekében a CRT tekercsnek ~ 50v-ra van szüksége. A 24 V-os tápvezetékből származó töltőszivattyú-trükk kiküszöböli az újabb feszültség szükségességét.

Lásd még

Hivatkozások

  1. ^ Jenne, F. "Substrate Bias Circuit", 3794862A számú amerikai egyesült államokbeli szabadalmi leírás, 1974. február 26.
  2. ^ Kevin Horton. Colordreams C változat . Utoljára módosítva 2007-09-30. Hozzáférés: 2011-09-15.

Az egyenértékű ellenállás-koncepció alkalmazása a töltőszivattyúk teljesítményveszteségének kiszámításához

  • Maxwell, JC (1873). "Szakaszos áram 775., 776. cikk". A villamos energia és a mágnesség értekezése . Oxford: The Clarendon Press. 420–5.
  • Singer, Z .; Emanuel, A .; Erlicki, MS (1972. február). "Teljesítményszabályozás kapcsolt kondenzátor segítségével". A Villamosmérnökök Intézetének folyamata . 119 (2): 149–152. doi : 10.1049 / piee.1972.0027 .
  • van Steenwijk, G .; Hoen, K .; Wallinga, H. (1993). "Töltőszivattyú áramkör elemzése és kialakítása nagy kimeneti áramú alkalmazásokhoz" . Proc. 19. európai szilárdtest-áramkörök konferenciája (ESSCIRC) . 118–121.
  • Kimball, JW; Kerin, PT; Cahill, KR (2005. december). "Kondenzátor impedanciájának modellezése kapcsoló konverterekben". IEEE Power Electronics Letters . 3 (4): 136–140. doi : 10.1109 / LPEL.2005.863603 . S2CID   27467492 .
  • Kiyoo Itoh; Masashi Horiguchi; Hitoshi Tanaka (2007). Ultra-alacsony feszültségű nano-skála emlékek . Sorozat az integrált áramkörökről és rendszerekről. Springer. ISBN   978-0-387-68853-4 .
  • Seeman, MD; Sanders, SR (2008. március). "Kapcsolt DC – DC átalakítók elemzése és optimalizálása". IEEE tranzakciók a Power Electronics-on . 23. (2): 841–851. Bibcode : 2008ITPE ... 23..841S . doi : 10.1109 / TPEL.2007.915182 .
  • Ben-Yaakov, S .; Evzelman, M. (2009). "Kapcsolt kondenzátor-átalakítók általános és egységes modellje". 2009 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, San Jose, Kalifornia . 3501–8. doi : 10.1109 / ECCE.2009.5316060 . ISBN   978-1-4244-2893-9 . S2CID   9116733 .
  • Ben-Yaakov, S. (2012. január). "A kapcsolóellenállások hatásáról a kapcsolt kondenzátor átalakító veszteségeire". IEEE tranzakciók az ipari elektronikáról . 59 (1): 638–640. doi : 10.1109 / TIE.2011.2146219 . S2CID   18901243 .

Töltse fel a szivattyúkat, ahol a kondenzátorok feszültségei a bináris számrendszert követik

  • Ueno, F .; Inoue, T .; Oota, I. (1986). "Új kapcsolt kondenzátor transzformátor megvalósítása 2n – 1 fokozatú transzformátor aránysal n kondenzátor felhasználásával". IEEE áramkörökről és rendszerekről szóló nemzetközi szimpózium (ISCAS) . 805–8.
  • Starzyk, JA; Ying-Wei Jan; Fengjing Qiu (2001. március). "A DC-DC töltőszivattyú kialakítása feszültség duplázókon alapul". IEEE tranzakciók áramkörökön és rendszereken I: Alapvető elmélet és alkalmazások . 48 (3): 350–9. doi : 10.1109 / 81.915390 .
  • Fang Lin Luo; Hong Ye (2004. június). "Pozitív kimenetű többemeletes push-pull kapcsolású kondenzátor Luo-konverterek". IEEE tranzakciók az ipari elektronikáról . 51 (3): 594–602. doi : 10.1109 / TIE.2004.825344 . S2CID   22202569 .
  • Ben-Yaakov, S .; Kushnerov, A. (2009). "Az önbeállítható kapcsolt kondenzátor-átalakítók algebrai alapjai". 2009 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, San Jose, Kalifornia . 1582–9. doi : 10.1109 / ECCE.2009.5316143 . ISBN   978-1-4244-2893-9 . S2CID   12915415 .

Külső linkek