Circuit de pompe de charge

La situation est simple - vous avez un rail d'alimentation basse tension, disons 3,3 V, et vous voulez alimenter quelque chose qui a besoin de 5 V. C'est un appel difficile, surtout si des batteries sont impliquées. Le seul moyen apparent est un convertisseur de mode à découpage, plus précisément un convertisseur boost.

C'est là que nous nous heurtons à un barrage routier: les convertisseurs boost sont inefficaces à faible puissance, car une grande quantité d'énergie est consommée juste pour maintenir la régulation au point et actionner l'interrupteur d'alimentation. De plus, les convertisseurs de mode à découpage de ce type sont bruyants - c'est un problème si vous avez affaire à des circuits sensibles. Vous êtes dans la position inconfortable d'une solution surdimensionnée. Les régulateurs linéaires ne fonctionnent pas en sens inverse, c'est donc exclu comme sous-conçu.

Alors, où pouvons-nous tracer la ligne entre sur-ingénierie et sous-ingénierie?

La réponse à ce problème est la pompe de charge - qui en elle-même est une sorte d'alimentation à découpage. Comme son nom l'indique, ce type de convertisseur déplace des charges discrètes et le composant qui stocke ces charges discrètes est le condensateur, donc ce type de convertisseur est également appelé convertisseur de condensateur volant.

Une pompe de charge crée des multiples discrets de la tension d'entrée à l'aide de condensateurs.

Comment fonctionne une pompe de charge?

La meilleure façon de comprendre cela est d'imaginer la situation suivante.

Vous chargez un condensateur à l'aide d'une batterie 9V, de sorte que la tension aux bornes du condensateur est également de 9V. Ensuite, vous prenez un autre condensateur et le chargez aussi jusqu'à 9V. Connectez maintenant les deux condensateurs en série et mesurez la tension entre eux - 18V.

C'est le principe de base du fonctionnement de la pompe de charge - prenez deux condensateurs, chargez-les individuellement, puis mettez-les en série, bien que dans une pompe de charge réelle, le réarrangement se fasse électroniquement.

Bien entendu, cela ne se limite pas à deux condensateurs, des étages successifs peuvent être montés en cascade pour obtenir des tensions plus élevées en sortie.

Limitations des pompes de charge

Avant d'en construire une, c'est une bonne idée de connaître les limites des pompes de charge.

1. Courant de sortie disponible - puisque les pompes de charge ne sont rien d'autre que des condensateurs qui sont chargés et déchargés par cycles, le courant disponible est très faible - il existe de rares cas où l'utilisation de la bonne puce peut vous procurer 100 mA, mais à faible rendement.

2. Plus vous ajoutez d'étages ne signifie pas que la sortie de tension augmente autant de fois - chaque étage charge la sortie de l'étage précédent, de sorte que la sortie n'est pas un multiple parfait de l'entrée. Ce problème s'aggrave avec le nombre d'étapes ajoutées.

Construire un circuit de pompe de charge

Le circuit illustré ici est destiné à une simple pompe de charge à trois étages qui utilise le circuit intégré de minuterie Evergreen 555. En un sens, ce circuit est «modulaire» - les étages peuvent être montés en cascade pour augmenter la tension de sortie (avec la limitation numéro deux à l'esprit).

Composants requis

1. Pour l'oscillateur 555

• Minuterie 555 - variante bipolaire
• Condensateur électrolytique 10uF (découplage)
• 2x condensateur céramique 100nF (découplage)
• Condensateur céramique 100pF (synchronisation)
• Résistance 1K (synchronisation)
• Résistance 10K (synchronisation)

2. Pour la pompe de charge

• 6 diodes IN4148 (UF4007 également recommandé)
• Condensateurs électrolytiques 5x 10uF
• Condensateur électrolytique 100uF

Une chose importante à noter est que tous les condensateurs utilisés dans la pompe de charge doivent être évalués pour quelques volts de plus que la tension de sortie attendue.

Schéma

Voici à quoi cela ressemble sur la maquette:

Description du circuit de la pompe de charge

1. La minuterie 555

Le circuit montré ici est un oscillateur astable à minuterie 555 simple. Les composants de synchronisation se traduisent par une fréquence d'environ 500 kHz (ce qui pour un 555 bipolaire est un exploit en soi). Cette fréquence élevée garantit que les condensateurs de la pompe de charge sont «rafraîchis» périodiquement afin que la tension sur la sortie n'ait pas trop d'ondulation.

2. La pompe de charge

C'est la partie la plus intimidante de tout le circuit. Comme la plupart des autres choses, il peut être compris en le décomposant en une seule unité:

Supposons que la broche 3, la sortie de la minuterie 555, soit faible au démarrage. Cela entraîne la charge du condensateur à travers la diode puisque la borne négative est maintenant mise à la terre. Lorsque la sortie devient élevée, la broche négative l'est également - mais comme il y a déjà une charge sur le condensateur (qui ne peut aller nulle part à cause de la diode), la tension vue à la borne positive du condensateur est effectivement le double de la tension d'entrée.

Voici la borne positive du condensateur:

Le résultat final est que vous ajoutez effectivement un décalage de V _CC à la sortie de la minuterie 555.

Maintenant, cette tension directement en tant que sortie est inutile, car il y a une ondulation massive de 50%. Pour résoudre ce problème, nous ajoutons un détecteur de crête comme indiqué dans la figure ci-dessous:

C'est la sortie du circuit ci-dessus:

Et nous avons réussi à doubler la tension de sortie!

Conseils de construction de circuits

Le bipolaire 555 est connu pour les pointes d'alimentation qu'il génère sur le rail d'alimentation, puisque l'étage de sortie push-pull court-circuite presque l'alimentation lors des transitions. Le découplage est donc obligatoire.

Je vais faire un petit détour pour vous dire quelque chose sur le découplage approprié.

Voici la broche V _CC de l'oscillateur sans aucun découplage:

Et voici la même broche avec un découplage approprié:

Vous pouvez clairement voir la différence qu'un peu de découplage fait.

Des condensateurs CMS céramiques à faible inductance sont recommandés pour l'étage de pompe de charge. Les diodes Schottky avec une faible chute de tension directe améliorent également les performances.

L'utilisation d'un CMOS 555 avec un étage de sortie approprié (peut-être même un pilote de grille comme le TC4420) peut réduire (mais pas éliminer) les pics d'alimentation.

Variations de la pompe de charge

Les pompes de charge n'augmentent pas seulement la tension, elles peuvent être utilisées pour inverser la polarité de la tension.

Ce circuit fonctionne de la même manière que le doubleur de tension - lorsque la sortie 555 devient élevée, le capuchon se charge et lorsque la sortie devient faible, la charge est tirée à travers le deuxième condensateur dans le sens inverse, créant une tension négative sur la sortie.

Où utiliser une pompe de charge?

• Alimentation bipolaire pour amplificateurs opérationnels dans un circuit où une seule tension est disponible. Les amplificateurs opérationnels ne consomment pas beaucoup de courant, c'est donc un ajustement parfait. La bonne chose à ce sujet est qu'un onduleur et un doubleur peuvent être entraînés à partir de la même sortie, créant, par exemple, une alimentation de ± 12 V à partir d'une alimentation 5 V.
• Pilotes de porte - l'amorçage est une option, mais une pompe de charge a le potentiel de générer une tension plus élevée, par exemple, avec une commande de porte 12 V à partir d'une alimentation 3,3 V. Le bootstrapping ne vous donnerait pas plus de 7V dans ce cas.

Les pompes de charge sont donc des dispositifs simples et efficaces utilisés pour créer des multiples discrets de la tension d'entrée.