Charge pump что это

Зарядовые насосы как альтернатива стабилизаторам других типов

Зарядовые насосы идеально подходят для создания слаботочных вспомогательных источников напряжения в устройствах с единственным основным источником, позволяя обеспечить работу микросхем и компонентов, требующих нескольких напряжений.

Являясь разновидностью импульсного источника питания, зарядовый насос используется в качестве DC/DC преобразователя или, с соответствующей обратной связью, в качестве стабилизатора. При разработке новых проектов о существовании зарядовых насосов часто забывают, хотя благодаря своей простоте и другим преимуществам, выбор зарядового насоса может быть лучшим по сравнению с LDO стабилизатором или импульсным преобразователем, использующим дроссель. Но, возможно, работая над следующей конструкцией, вы вспомните об этой классической схеме и ее достоинствах.

Принцип работы зарядового насоса

Классические зарядовые насосы часто находят применение в конструкциях, требующих более одного постоянного напряжения питания. Основными элементами зарядового насоса являются переключатели и конденсаторы. В конструкциях на дискретных компонентах переключателями служат диоды, а в интегральном варианте вместо них используются MOSFET. В зависимости от частоты переключения, конденсаторы могут быть керамическими или электролитическими. Дроссели таким схемам не нужны.

На Рисунке 1 показана классическая схема зарядового насоса в конфигурации удвоителя напряжения. Рабочий цикл состоит из двух этапов, во время которых «плавающий» конденсатор С1 вначале заряжается, а затем передает заряд в конденсатор С2. Когда тактовый генератор переключает выход инвертора 1 в низкое состояние, конденсатор С1 через открытый диод D1 заряжается до величины напряжения питания V. Диод D2 в это время закрыт. Затем по сигналу тактового генератора на выходе инвертора 1 устанавливается высокое состояние с напряжением V.

Рисунок 1.

Самой распространенной схемой зарядового насоса является
базовая конфигурация удвоителя напряжения.

Теперь заряженный до напряжения V конденсатор С1 соединяется последовательно с выходом инвертора 1, напряжение на котором также равно V. Поскольку выход инвертора 2 находится в низком состоянии, диод D2 открывается, и конденсатор С2 заряжается до напряжения 2V. Без учета прямого падения на диодах и потерь в инверторах, выходное напряжение на нагрузке составит 2V. В этой схеме предпочтительнее использовать диоды Шоттки, имеющие меньшее падение напряжения и более высокое быстродействие. Частота переключения может быть любой в диапазоне от 10 кГц до 2 МГц. Если в схему добавить дополнительные диоды и конденсаторы, можно получить выходное напряжение, превосходящее входное в три, четыре и более раз.

На Рисунке 2 показаны примеры схем зарядовых насосов на дискретных компонентах, в которых используется популярная микросхема таймера 555. В удвоителе напряжения на Рисунке 2а таймер работает в режиме автоколебательного мультивибратора с частотой, устанавливаемой элементами R1, R2 и C1. Выходные прямоугольные импульсы на выводе 3 имеют размах от +5 В до уровня, близкого к земле. При низком уровне на выводе 3 конденсатор С3 через диод D1 заряжается до напряжения +5 В. Когда на выводе 3 устанавливается напряжение +5 В, открывается диод D2, последовательно подключая к конденсатору С4 выходное напряжение +5 В микросхемы и заряженный до +5 В конденсатор С3. Выходное напряжение, без учета падения напряжения на диодах, будет равно +10 В.

Изменив конфигурацию зарядового насоса, можно сделать инвертор напряжения (Рисунок 2б). В этой схеме конденсатор C3 заряжается до напряжения +5 В через вывод 3 и диод D1. При низком уровне на выводе 3 смещенный в прямом направлении диод D3 открывается, и конденсатор С3 передает заряд конденсатору С4. При питании от источника с напряжением +5 В выходное напряжение, без учета падения напряжения на диоде, здесь будет равно примерно –5 В. Эта схема может быть полезной в тех случаях, когда необходим маломощный источник отрицательного напряжения, например, при использовании операционных усилителей, требующих двуполярного питания.

Все зарядовые насосы представляют собой смесь переключателей и конденсаторов. В большинстве интегральных вариантов таких схем используются MOSFET переключатели с низким сопротивлением открытого канала, управляемые встроенным тактовым генератором. Конденсаторы никогда не включаются в состав микросхем, что позволяет выбирать их тип и емкость в зависимости от рабочей частоты и требований к пульсациям выходного напряжения, которое может быть как стабилизированным, так и нестабилизированным.

На Рисунке 3 показана типичная конфигурация зарядового насоса, используемого в интегральных схемах. Четыре MOSFET ключа синхронно управляются внутренним тактовым генератором: S2 включается вместе с S3, а S1 – вместе с S4.

На Рисунке 3a изображена классическая схема удвоителя напряжения. Когда ключи S2 и S3 замкнуты, а S1 и S4 открыты, «плавающий» конденсатор C1 заряжается до напряжения V. В следующей половине цикла, когда ключи S2 и S3 разомкнуты, а S1 и S4 замкнуты, конденсатор C1, последовательно соединенный с входом, заряжает конденсатор С2. Выходное напряжение, без учета падения напряжения на открытых каналах MOSFET, будет равно 2V. Обратите внимание на делитель напряжения обратной связи, обеспечивающей стабилизацию выходного напряжения.

В инвертирующей версии зарядового насоса, показанной на Рисунке 3б, когда ключи S1 и S3 замкнуты, а S2 и S4 разомкнуты, «плавающий» конденсатор С1 заряжается до напряжения V. В следующей половине цикла ключи S1 и S3 открываются, а S2 и S4 замыкаются, и C1 отдает заряд конденсатору С2. Поскольку верхний по схеме вывод конденсатора С2 соединен с общим проводом, выходное напряжение на его противоположном выводе будет равно –V.

Типовые области применения

Зарядовые насосы идеальны для устройств, в которых для большинства цепей используется мощный одноканальный источник питания, но требуются вспомогательные слаботочные источники. Многим современным микросхемам и компонентам требуется несколько напряжений питания, и во многих случаях эти дополнительные напряжения можно получить с помощью зарядовых насосов.

Классическим примером может служить микросхема MAX232, зарядовый насос которой из входного напряжения 5 В формирует двуполярное напряжение от ±3 В до ±25 В, необходимое для питания приемопередатчиков популярного последовательного интерфейса RS-232. Другими примерами являются схема питания приемопередатчика USB от низковольтной батареи или формирователь напряжения смещения TFT-LCD матриц.

Некоторым микропроцессорам, также как многим микросхемам EEPROM и флэш-памяти, необходим вспомогательный источник питания. В большинстве случаев для формирования этих дополнительных напряжений используются встроенные зарядовые насосы.

Достоинства и недостатки зарядовых насосов

По сравнению с другими основными типами DC/DC преобразователей и стабилизаторов зарядовые насосы имеют ряд существенных преимуществ:

Простота.
Низкая стоимость. Меньшее количество компонентов. Отсутствие дросселей.
Меньшая площадь, занимаемая на плате. Меньшая высота.
Примерно на 20% более высокий КПД, чем у линейных стабилизаторов.
Возможность понижения, повышения и инвертирования напряжения.
Большой выбор производителей микросхем.

Конечно, зарядовые насосы не идеальны и не могут использоваться в любой конструкции, но недостатков у них немного:

Лучше всего подходят для небольших нагрузок, не превышающих 200 мА.
Импульсный режим работы схемы является источником электромагнитных помех.
Более низкий КПД, чем у преобразователей с дросселями.

Сравнение с альтернативными вариантами

Создавая новое устройство с DC/DC преобразователем или стабилизатором, вы имеете возможность выбора между зарядовым насосом, LDO-регулятором или импульсным преобразователем на основе дросселя. Достоинства и недостатки каждого варианта перечислены в Таблице 1.

• Простота
• Отсутствие дросселя
• Низкая стоимость
• Наименьшая площадь печатной платы
• Больший КПД по сравнению с LDO (> 70%)

• Низкий и средний ток нагрузки (< 200 мА)
• Электромагнитные излучения

• Простота
• Наименьшая стоимость
• Отсутствие электромагнитных излучений

• Наименьший КПД (не более 50. 60%)

• Наивысший КПД
• Наибольший ток нагрузки (> 250 мА)

• Наибольшая стоимость
• Сложность конструкции
• Большая площадь и высота печатной платы
• Электромагнитные излучения

Указания по конструированию

Создавая зарядовый насос на дискретных компонентах, необходимо использовать диоды Шоттки, отличающиеся лучшим быстродействием и более низким падением напряжения (0.2…04 В). При низких частотах переключения допускается использование электролитических или танталовых конденсаторов, однако следует учитывать, что высокое значение эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) таких конденсаторов уменьшает КПД схемы.

При использовании специализированных микросхем зарядовых насосов для получения наилучшего КПД следует выбирать керамические конденсаторы для поверхностного монтажа с низкими ESR. Емкости конденсаторов зависят от частоты переключения. Электролитические и танталовые конденсаторы использовать не следует из-за высоких значений ESR. Кроме того, при работе некоторых микросхем меняется полярность напряжений, что может привести к повреждению внешних компонентов, поэтому необходимо строго следовать рекомендациям производителей микросхем.

Charge Pump

A charge pump is used to boost the pressure of a fluid before it enters the inlet of the main pump. The use of a charge provides enough pressure to overcome the required net positive suction head (NPSH) of the main pump. Providing adequate pressure is necessary to prevent cavitation in larger pumping equipment.

The most common charge pumps are single stage centrifugal pumps. ANSI pumps will often fill the requirements of a charge pump, but the composition of the fluid should be taken into consideration. Depending on abrasive materials, specific types of centrifugal pump designs may be needed.

The charge pump (blue) provides adequate pressure to the positive displacement pump behind it (gray).
The valves allow for bypassing the charge pump when it is not needed.

Centrifugal pumps provide a desired flow and pressure relationship. When a centrifugal pump is used, they are able to operate across a range of flow rates, while still providing an adequate pressure. Pumps other than a centrifugal may be used, but it is rare. Use of other types of pumps is not recommended unless the system is specifically designed for the type of pump selected. Using other types of pumps may cause premature failure of either the charge pumps or the main pumps unless they are designed to be used together.

Читать:

Когда выйдет плк т

Charge pump systems are common on positive displacement pumps. Depending on their speed, the positive displacement pump may pull the fluids at the inlet of the pump well below vapor pressure causing cavitation, A charge pump can help to reduce sudden pressure drops below vapor pressure within the suction stream and eliminate cavitation.

Charge pumps may also be used in other pump type applications. Multistage pumps often are not designed to pull fluids from a reservoir located below the pump, such as a river or a lake. Careful attention is given to these pump designs to provide adequate suction pressure. A smaller pump designed for lower NPSH is often placed near the fluid reservoir to provide the adequate pressure needed at the inlet of the main pump.

Charge pump systems are designed for the main pump(s). Experience with the pump, pump curves, or the manufacturers manual may provide the information necessary to select an adequate charge pump. When a wide range of flows is desired, the charge pump may be bypassed at low flows. Since the NPSH increases with speed, it may only be necessary to provide a charged pressure at higher pump speeds. Careful calculation should be completed to know when a charge pump should be used.

Note: A charge pump in positive displacement applications can reduce vibration and pressure pulsations in the suction piping but does not eliminate it. A pulsation dampener should still be used to reduce pulsation in the suction and discharge lines in order to prevent vibration and pulsation damage.

What is a charge pump and why is it useful? (Part 1)

It’s a very common challenge in circuits to need to convert an available DC source to a lower or higher voltage. For the high-to-low conversion, one option to use a low dropout regulator (LDO), but how to easily transform a lower voltage into a higher one?

For AC voltages, the answer is well-known: use a transformer, as has been done for well over 100 years. Yet as even every first-year electrical engineering student knows, you can’t use a transformer with DC. The obvious approach, then, is to “chop” the low-voltage DC using an oscillator of some sort, pass the chopped, AC-like waveform through a step-up transformer, and then rectify and filter it at the secondary-side output. This approach can be very successful, and enhanced versions of it are the basis for switching power supplies, used to both increase (boost) and decrease (buck) the voltage between a DC source and a supply rail.

What are the drawbacks of this approach?

The key issue is the need for the transformer, an inductive component which is a relatively large and costly component compared to the rest of the power-conversion circuitry it supports. While some power converters actually prefer or even mandate a transformer due to the inherent galvanic isolation it provides, that benefit is often not needed in low-voltage circuits or localized subcircuits. A transformer-based design’s performance and cost are more suited for DC/DC converters above about 1 to 5 A output, but it is generally not an attractive solution at the low end below a few hundred mA.

What’s the better alternative?

Circuit designers have developed a topology called the charge pump, which is actually difficult to implement with discrete components, but is very IC-friendly. The charge pump uses capacitors as the energy-storage element.

In the basic execution of this power-conversion technique, current (charge) is alternately switched and directed between two capacitors arranged so the circuit output is twice the input, and thus functioning as a voltage-doubling boost converter. For these reasons, the charge-pump converter is also known as a switched-capacitor design.

[Note that a variation of the charge-pump voltage converter is used in phase lock loops (PLL); but that application and its attributes are beyond this power-related discussion.]

How does the charge-pump voltage-doubler work?

How is this voltage-doubling boost accomplished? It all starts with a fundamental principle of physics: charge flowing back and forth in a closed circuit is not “lost,” but instead can be transferred via switching between charge-storage elements. In a charge-pump concept, diodes can be used to control the flow of current; in actual practice, the switches are usually switched MOSFETs, and the capacitors are external ceramic or electrolytic devices depending amount of capacitance needed.

The operation, Figure 1, is a two-step charge-discharge cycle where capacitor C1 charges, then discharges into C2. First, the clock drives the output of inverter 1 low, so D1 is forward-biased, thus charging capacitor C1 to the supply voltage +Vdc; also, D2 is off.

Fig 1: drawn by author

Next, the clock drives the output of inverter 1 high, and the charge on C1 is now in series with +Vdc from inverter 1. As the output of inverter 2 is low, D2 becomes forward-biased and C2 charges to twice Vdc. The voltage thus seen across the load is 2 × Vdc, minus the diode forward-voltage drops and any losses in the inverters.

In practical designs using discrete components, Schottky diodes are usually used instead of conventional diodes because of their lower forward-voltage drop. However, IC-based charge pumps do not use diodes; instead, they use MOSFET switches with low on-resistance R_DS(ON). Charge pump efficiency is fairly high, in the range of 90 to 95%.

Part 2 looks at some additional aspect of charge pumps, including their capacitors, non-doubling variations, internal and external clocks, filtering and regulation, and embedded charge pumps.

charge pump

Charge pump — 2 stage charge pump with DC voltage supply and a pump control signal S0 A charge pump is a kind of DC to DC converter that uses capacitors as energy storage elements to create either a higher or lower voltage power source. Charge pump circuits… … Wikipedia

charge pump — tiekimo siurblys statusas T sritis Energetika apibrėžtis Siurblys skysčiui į kokį nors technologinį įrenginį tiekti, pvz., tiekti vandenį į šilumokaitį, garo katilą ir pan. atitikmenys: angl. charge pump vok. Speisepumpe, f rus. питательный насос … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

Charge transfer switch — A charge transfer switch OR CTS charge pump is a charge pump that offers better low voltage performance and a better voltage pumping gain and a higher output voltage [1] than previous charge pumps such as the Dickson charge pump. See also Charge… … Wikipedia

Charge (Soca album) — Charge is an album by Trinidadian Soca artist Machel Montano and his band Xtatik released in 1998. Track listing Mad Bull Intro (Interlude) Toro Toro (Original) Xtatik Prayer (Interlude) Stand Up Footsteps Feeling 2 Fete Jeunes Agape (Interlude)… … Wikipedia

Convertisseur a pompe de charge — Convertisseur à pompe de charge Les convertisseurs à pompe de charge (de la traduction de l anglais Charge Pump Converter) ou convertisseur à transfert de charge font partie de la famille des convertisseurs continu continu de l électronique de… … Wikipédia en Français

Convertisseur À Pompe De Charge — Les convertisseurs à pompe de charge (de la traduction de l anglais Charge Pump Converter) ou convertisseur à transfert de charge font partie de la famille des convertisseurs continu continu de l électronique de puissance. Ce sont des dispositifs … Wikipédia en Français

Convertisseur à pompe de charge — Les convertisseurs à pompe de charge (de la traduction de l anglais Charge Pump Converter) ou convertisseur à transfert de charge font partie de la famille des convertisseurs continu continu de l électronique de puissance. Ce sont des dispositifs … Wikipédia en Français

pompe de charge — tiekimo siurblys statusas T sritis Energetika apibrėžtis Siurblys skysčiui į kokį nors technologinį įrenginį tiekti, pvz., tiekti vandenį į šilumokaitį, garo katilą ir pan. atitikmenys: angl. charge pump vok. Speisepumpe, f rus. питательный насос … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

Ion pump (physics) — An ion pump works by creating an electric field across a fluid containing ions. An ion is an electrically charged atom or molecule. If the fluid does not naturally contain ions, then it must be ionized before an ion pump will work. A fluid is… … Wikipedia

Body pump — Le body pump est un cours de fitness à vocation de renforcement musculaire complet, pré chorégraphié et en musique faisant partie du concept Body training system, inventé par la société Les Mills en 1990 et qui revendiquent des cours de fitness… … Wikipédia en Français