Зарядовый насос уменьшает напряжение вдвое, чтобы удвоить «эффективность» по току

Емкостные зарядовые насосы – это хорошо известный, простой, эффективный, экономичный (и поэтому популярный) метод инвертирования и умножения напряжения шин питания. Однако, возможно, менее известно, что они также хорошо работают для деления напряжения (при умножении тока). На Рисунке 1 показан пример насоса, построенного на основе почтенного строенного двухпозиционного КМОП переключателя xx4053, у которого V_OUT = V_IN/2, I_OUT = I_IN·2.

Рисунок 1.	100-килогерцовый зарядовый насос на основе xx4053 с делением напряжения пополам и удвоением тока.

Вот как это работает.

Постоянная времени цепочки R1C1, соединяющей выводы 14 и 9 элемента U1, определяет частоту F_PUMP генерируемых прямоугольных импульсов с размахом V_IN, приблизительно равную

Во время отрицательного полупериода импульсов (ноль на выводе 4 элемента U1) верхний по схеме вывод конденсатора C2 подключается к шине V_IN, а нижний (вывод 15 элемента U1) – к V_OUT, и, таким образом, конденсатор C2 заряжается до

Затем, в течение следующего положительного полупериода F_PUMP, (на выводе 4 элемента U1 напряжение V_IN) верхний вывод C2 подключается к V_OUT, а нижний – к земле, и

Это перенесет в конденсатор C3 некоторое количество заряда

Во время следующего отрицательного полупериода снова

И в конденсатор C3 переносится следующая порция заряда

Таким образом, в каждом полном период F_PUMP в C3 переносится суммарный заряд, равный

Что в случае, если I_OUT = 0, приводит к тому, что Q = 0 и, следовательно

Однако (что гораздо более интересно) для случая I_OUT > 0

Другими словами, напряжение V_OUT немного падает по мере увеличения выходной нагрузки. Это связано с тем, что для конечного значения емкости C2 величина заряда Q также является конечной, а также с тем фактом, что внутренние ключи элементов U1a и U1b имеют ненулевые сопротивления в замкнутом состоянии.

Совокупная зависимость V_OUT от I_OUT дает эффективное выходное сопротивление 150 Ом при V_IN = 5 В и показана на Рисунке 2 вместе с «эффективностью» умножения тока. Обратите внимание, что последняя превышает единицу из-за того, что только половина заряда конденсатора C2 (Q₊) берется из шины V_IN, в то время как часть заряда Q_– образуется за счет остаточного напряжения на C2, из-за чего дополнительного стока из шины не происходит.

Рисунок 2.	Зависимость напряжения VOUT и «эффективности» по току IOUT/IIN от выходного тока для зарядового насоса с умножением тока.

Так чем же это полезно?

На Рисунке 3 показано одно полезное применение – получение номинально симметричных биполярных напряжений ±V_IN/2 из напряжения одного положительного источника с минимальным потреблением тока от него.

Рисунок 3.	Зарядовый насос с удвоением тока и инвертор напряжения образуют эффективный разветвитель шины.

Материалы по теме

1. Datasheet NXP 74HC4053