- Как работает нагнетательный насос?
- Ограничения загрузочных насосов
- Создание схемы нагнетательного насоса
- Принципиальная электрическая схема
- Описание схемы нагнетательного насоса
- Советы по построению схемы
- Варианты нагнетательного насоса
- Где использовать зарядный насос?
Ситуация проста - у вас есть шина питания низкого напряжения, скажем, 3,3 В, и вы хотите запитать то, что требует 5 В. Это сложный вызов, особенно если речь идет о батареях. Единственный очевидный способ - это преобразователь режима переключения, точнее повышающий преобразователь.
Здесь мы и попадаем в затруднительное положение - повышающие преобразователи неэффективны при низких мощностях, поскольку много энергии расходуется только для поддержания регулирования и приведения в действие переключателя мощности. Кроме того, импульсные преобразователи этого типа шумят - это проблема, если вы имеете дело с чувствительной схемой. Вы находитесь в неудобном положении из-за чрезмерно продуманного решения. Линейные регуляторы не работают в обратном направлении, так что это исключено как недоработанное.
Так где же провести грань между чрезмерно продуманным и недостаточно продуманным?
Ответом на эту проблему является Charge Pump, который сам по себе является своего рода импульсным источником питания. Как следует из названия, этот тип преобразователя перемещает дискретные заряды, а компонентом, который хранит эти дискретные заряды, является конденсатор, поэтому этот тип преобразователя также называется преобразователем летающих конденсаторов.
Зарядный насос создает дискретные значения входного напряжения с помощью конденсаторов.
Как работает нагнетательный насос?
Лучший способ понять это - представить себе следующую ситуацию.
Вы заряжаете конденсатор от батареи 9 В, поэтому напряжение на конденсаторе также равно 9 В. Затем вы берете еще один конденсатор и тоже заряжаете до 9 В. Теперь подключите два конденсатора последовательно и измерьте напряжение на них - 18 В.
Это основной принцип работы подкачки заряда - возьмите два конденсатора, зарядите их по отдельности и затем включите их последовательно, хотя в реальной подкачке заряда перестановка выполняется электронно.
Конечно, это не ограничивается двумя конденсаторами, последовательные каскады могут быть включены каскадом для получения более высоких напряжений на выходе.
Ограничения загрузочных насосов
Прежде чем мы построим его, неплохо узнать об ограничениях зарядных насосов.
1. Доступный выходной ток - поскольку насосы заряда представляют собой не что иное, как конденсаторы, которые заряжаются и разряжаются циклически, доступный ток очень низок - есть редкие случаи, когда использование правильного чипа может дать вам 100 мА, но с низким КПД.
2. Чем больше каскадов вы добавляете, не означает, что выходное напряжение увеличивается во столько раз - каждый каскад загружает выход предыдущего каскада, поэтому выход не является точным кратным входному. Эта проблема усугубляется, чем больше вы добавляете этапов.
Создание схемы нагнетательного насоса
Схема, показанная здесь, предназначена для простого трехступенчатого насоса заряда, в котором используется вечнозеленый таймер 555 IC. В некотором смысле эта схема является «модульной» - каскады могут быть соединены каскадом для увеличения выходного напряжения (с учетом ограничения номер два).
Необходимые компоненты
1. Для осциллятора 555
- 555 таймер - биполярный вариант
- Электролитический конденсатор 10 мкФ (развязка)
- 2x керамических конденсатора по 100 нФ (развязка)
- Керамический конденсатор 100 пФ (синхронизация)
- Резистор 1 кОм (время)
- Резистор 10 кОм (время)
2. Для нагнетательного насоса
- 6 диодов IN4148 (также рекомендуется UF4007)
- 5 электролитических конденсаторов по 10 мкФ
- Электролитический конденсатор 100 мкФ
Важно отметить, что все конденсаторы, используемые в зарядном насосе, должны быть рассчитаны на несколько вольт больше, чем ожидаемое выходное напряжение.
Принципиальная электрическая схема
Вот так это выглядит на макете:
Описание схемы нагнетательного насоса
1. Таймер 555
Показанная здесь схема представляет собой простой генератор с нестабильным таймером 555. Компоненты синхронизации дают частоту около 500 кГц (что для биполярного 555-го уже само по себе подвиг). Эта высокая частота гарантирует, что конденсаторы на зарядном насосе периодически «обновляются», чтобы напряжение на выходе не было слишком сильным.
2. Нагнетательный насос
Это самая устрашающая часть всей трассы. Как и большинство других вещей, его можно понять, разбив его на одну единицу:
Предположим, что на выводе 3, на выходе таймера 555, низкий уровень во время запуска. Это приводит к зарядке конденсатора через диод, так как отрицательная клемма теперь заземлена. Когда выходной сигнал становится высоким, отрицательный вывод тоже становится высоким - но поскольку на конденсаторе уже есть заряд (который не может никуда уйти из-за диода), напряжение, наблюдаемое на положительном выводе конденсатора, фактически вдвое превышает входное напряжение..
Вот положительный вывод конденсатора:
Конечным результатом является то, что вы фактически добавляете смещение V CC к выходному сигналу таймера 555.
Теперь это напряжение напрямую как выход бесполезно, так как пульсация составляет 50%. Чтобы решить эту проблему, мы добавляем пиковый детектор, как показано на рисунке ниже:
Это выход вышеуказанной схемы:
И мы успешно удвоили выходное напряжение!
Советы по построению схемы
Биполярный 555 известен своими импульсами питания, которые он генерирует на шине питания, поскольку выходной двухтактный каскад почти замыкает подачу питания во время переходов. Так что развязка обязательна.
Я сделаю небольшой обход, чтобы рассказать вам кое-что о правильной развязке.
Вот вывод V CC генератора без какой-либо развязки:
А вот такой же вывод с правильной развязкой:
Вы можете ясно увидеть разницу, которую дает небольшая развязка.
Для ступени накачки заряда рекомендуются керамические SMD-конденсаторы с низкой индуктивностью. Диоды Шоттки с низким прямым падением напряжения также улучшают характеристики.
Использование CMOS 555 с подходящим выходным каскадом (возможно, даже с драйвером затвора, таким как TC4420) может уменьшить (но не устранить) скачки напряжения питания.
Варианты нагнетательного насоса
Зарядные насосы не только увеличивают напряжение, они могут использоваться для изменения полярности напряжения.
Эта схема работает так же, как удвоитель напряжения - когда на выходе 555 повышается уровень, конденсатор заряжается, а когда выход становится низким, заряд проходит через второй конденсатор в обратном направлении, создавая отрицательное напряжение на выходе.
Где использовать зарядный насос?
- Биполярный источник питания для операционных усилителей в цепи, где доступно только одно напряжение. Операционные усилители не потребляют много тока, так что это идеальный вариант. Приятно то, что инвертор и удвоитель могут управляться одним и тем же выходом, создавая, скажем, напряжение ± 12 В от источника питания 5 В.
- Драйверы затвора - бутстреппинг - это вариант, но зарядный насос может генерировать более высокое напряжение, скажем, при наличии привода затвора 12 В от источника питания 3,3 В. В этом случае загрузка не даст вам больше 7В.
Таким образом, насосы Charge - это простые и эффективные устройства, используемые для создания дискретных значений входного напряжения.