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.

Перевод: ShuRusu по заказу РадиоЛоцман

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.

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.

Reader Interactions

Comments

Chinomso says November 30, 2018 at 11:53 pm

I’v been building this 12v to 240v: 2000w inverter circuit. In the circuit, I wanted to embed a chargepump circuit such that the 12v input would be stepped up to drive the power stage of the inverter for maximum output, since 12v from the battery couldn’t do it well. I successfully build the charge pump, however, on powering the circuit, I notice that the chargepump could not stand the strength of the mosfets at the power stage. Please how can this be done?

How do you calculate the efficiency of this charge-pump?
Can you explain it by equation? Thanks

Thank you for your interest, Borno. Here is the reply from the author, Bill Schweber:
Not surprisingly, the efficiency of charge pump is hard to analyze. It’s a function of diode drop, capacitor ESR, switching losses, duty cycle, internal resistances, and other factors. As a first-cut estimate, 70% efficiency is a good initial number. They are tricky to model and simulate because of their discontinuous waveforms, too. Possible resources: –TI app note:
http://www.ti.com/lit/wp/slpy005/slpy005.pdf –Analog Devices article:
https://www.analog.com/en/technical-articles/clever-circuit-improves-efficiency-of-charge-pump-plus-linear-regulator-solution.html –Academic article:
https://www.researchgate.net/publication/328218249_Transient_and_Steady-State_Analysis_of_Single_Switched_Capacitor_Converter/fulltext/5bbf494f45851572315f4613/Transient-and-Steady-State-Analysis-of-Single-Switched-Capacitor-Converter.pdf –Article from Power Electronics Technology aka Power Electronics:
https://www.powerelectronics.com/passive-components/calculating-essential-charge-pump-parameters

Trackbacks

OnePlus 8 Pro Has 30W Wireless Charging — Here’s How It Works — Seogoog.com says:

[…] all battery-powered devices use DC power. To alter the voltage you use what’s called a charge pump. A charge pump is a very efficient DC to DC conversion circuit that uses capacitors to alter […]

OnePlus 8 Pro has 30W wireless charging — here’s how it works – RSS Feeds says:

OnePlus 8 Pro has 30W wireless charging — here’s how it works – Feeds.24On says:

OnePlus 8 Pro has 30W wireless charging — here’s how it works — DailyAndriodInfo says:

LTC2986-Multi Sensor High Accuracy Digital Temperature Measurement system with EEPROM says:

[…] pins for integrated charge pump: How does a charge pump work and why do we need it? Source It is a very common requirement having to convert available DC source to a higher or lower voltage. […]

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.

What is a charge pump?

A charge pump is a DC-to-DC converter that uses capacitors to generate higher or lower output voltages from an input voltage in low-power applications.

Introduction to Charge Pumps

A charge pump is a type of DC-to-DC converter that uses capacitors as energy storage elements to generate higher or lower output voltages from a given input voltage. Charge pumps offer a simple, low-cost alternative to inductor-based converters, such as buck and boost converters, for applications requiring moderate output current and power levels.

Operation Principle of Charge Pumps

Charge pumps operate by transferring energy between capacitors through a series of controlled switches. The input voltage charges the capacitors, which then release energy to the output, creating a regulated voltage level. The switch control, typically performed by a dedicated integrated circuit (IC), determines the output voltage and regulates it according to the desired level.

Types of Charge Pumps

There are several types of charge pump configurations, depending on the desired output voltage:

Applications of Charge Pumps

Charge pumps find applications in various electronic devices and systems due to their simplicity, compact size, and low component count. Some common applications include:

Advantages and Limitations

Charge pumps offer several advantages over inductor-based converters, including simplicity, lower cost, smaller size, and lower electromagnetic interference (EMI). However, they also have limitations, such as lower efficiency, limited output current capacity, and higher output voltage ripple. These factors make charge pumps more suitable for low-power applications where the advantages outweigh the limitations.

What is a charge pump and why is it useful? (Part 2)

When MOSFET switches are used, the capacitor is sometimes called a “flying capacitor.” This is a designation which is a holdover from early days of electronics, when a similar arrangement was used to sample a sensor voltage. The sensor output would charge a capacitor, and then the capacitor would be disconnected from the sensor and switched to a voltage-reading circuit. In effect, the capacitor would “fly” between the sensor and electronics, but there was no electrical path between two sides. (In the earliest days, that switch was mechanical, not electrical, and use of mechanical switches, usually reed relays, continued well into the electronic era, as mechanical switches offered multi-megaohm isolation which electronic switches could not achieve.)

These capacitors can be small-value ceramic devices, or larger electrolytic ones, depending on the amount of current, the energy-storage needed, and the switching speed. The interplay among these parameters is also determined by the amount of output current to be charged into, and discharged from, the capacitors.

What else can a charge pump do?

While the basic arrangement provides voltage doubling, it is possible to instead convert a positive voltage to negative one, or vice versa, by clever rearrangement of the components, Figure. Further, if more switch and capacitor segments are added, the output voltage can be triple or quadruple the input (and go even higher). For this reason, charge pumps are sometimes called voltage multipliers. Still another arrangement allows the charge pump to act as a voltage “halver” or “divider.”

What are the clock considerations?

The charge-pump clock generally operates in the 10-kHz to 2-MHz range; some clocks are now reaching 4 MHz. Use of a higher frequency minimizes the amount of capacitance required, as less charge needs to be stored and then dumped due to a shorter time cycle. However, there are higher losses and other negatives associated with switching at higher frequency, so there’s a tradeoff to be made.

Some charge pumps use a clock with low or moderate accuracy and stability (even the low-cost 555 timer can be used) and yield looser regulation specifications; while others use a more precise, fully controllable clock for more consistent performance and other benefits. Charge pumps are available with no need for an external clock – the user supplies it – as well as with embedded clocks for lowest parts count. The choice is made based on output regulation needs, system-level tradeoffs, BOM concerns, and cost.

How is filtering and regulation accomplished?

The pulsing nature of the higher-voltage output is smoothed by adding an output capacitor plus other components, in a standard filtering approach. While this does reduce output ripple, it does little to maintain output regulation as the load varies – yet regulation is one of the key parameters of a DC rail. Their output voltage is somewhat load dependent; higher loads result in lower average voltages.

The charge-pump solution to the regulation challenge is simple and elegant. By adjusting the duty cycle of the clock and thus the ratio of the two parts of the charge/discharge cycle, the output voltage can be closely regulated. This clock adjustment is dynamically controlled by a feedback loop from the output. A well-designed charge-pump with clock control can maintain regulation to within about 1%, which is more than sufficient for most applications; charge pumps with tighter regulation can also be available using with some additional design techniques.

Are charge pumps for every buck or boost situation?

No. Charge pumps are very effective solutions for lower-current ranges of under about 100 to 500 mA, and they are best when the design needs just a small amount of current at a voltage that is not already available, or locally regulated rail is needed for best performance. However, they are not a good choice at higher current levels.

With some additional circuitry, switches, and more-involved architecture, they can implement a merged buck/boost regulator design with seamless transition between modes. For example, this boost/buck mode is needed where output of a Li-ion battery can range from 3.6 V when fully charged, down to 1.5 V when drained, yet the output must be maintained at 3.0 V. The combined buck boost converter starts in buck mode, then transitions to boost mode as the battery drops below the 3.0 V level; all the while, the converter output is a steady, glitch-free rail.

What about embedded charge pumps?

Charge-pump designs are available as standalone ICs which can be used to provide power rails for ICs, or just to develop low-current bias voltages for displays, among other applications. Charge-pump functionality can also be embedded within ICs, rather just be offered as separate devices.

For example, an RS-232 IC may need only a low voltage such as 3 V or 5 V for its internal functions, but also needs a higher DC voltage of 12 V to meet the interface standard’s requirements. Rather than supplying two distinct rails to the RS-232 IC, a single low-voltage rail is used and it is boosted by an internal charge pump within the RS-232 IC to the higher voltage for the I/O interface. The same technique is used in many large-scale digital ICs which use a low voltage internally, but need a higher voltage for their many interface and I/O pins.