チャージポンプ回路

状況は単純です。たとえば3.3Vの低電圧電源レールがあり、5Vを必要とするものに電力を供給したいと考えています。これは、特にバッテリーが関係している場合、難しい問題です。唯一の明白な方法は、スイッチモードコンバータ、より具体的にはブーストコンバータです。

これが障害にぶつかるところです。ブーストコンバーターは、レギュレーションを適切に保ち、電源スイッチを駆動するためだけに多くのエネルギーが消費されるため、低電力では非効率的です。また、このタイプのスイッチモードコンバータはノイズが多く、敏感な回路を扱っている場合はこれが問題になります。あなたは、過剰に設計されたソリューションという不快な立場にいます。リニアレギュレータは逆に機能しないため、設計が不十分であるとは限りません。

では、過剰設計と過少設計の境界線はどこにあるのでしょうか。

この問題に対する答えは、チャージポンプです。これは、それ自体が一種のスイッチモード電源です。名前が示すように、この種のコンバーターは離散電荷を移動させ、これらの離散電荷を保存するコンポーネントはコンデンサーであるため、この種のコンバーターはフライングコンデンサーコンバーターとも呼ばれます。

チャージポンプは、コンデンサを使用して入力電圧の離散倍数を作成します。

チャージポンプはどのように機能しますか？

これを理解する最良の方法は、次の状況を想像することです。

9V電池を使用してコンデンサを充電するため、コンデンサの両端の電圧も9Vになります。次に、別のコンデンサを使用して、最大9Vまで充電します。次に、2つのコンデンサを直列に接続し、それらの両端の電圧–18Vを測定します。

これがチャージポンプの動作の基本原理です。実際のチャージポンプでは再配置は電子的に行われますが、2つのコンデンサを取り、それらを個別に充電してから直列に配置します。

もちろん、これは2つのコンデンサだけに限定されるものではなく、連続するステージをカスケード接続して、出力でより高い電圧を得ることができます。

チャージポンプの制限

構築する前に、チャージポンプの制限について理解しておくことをお勧めします。

1.利用可能な出力電流–チャージポンプはサイクルで充電および放電されるコンデンサにすぎないため、利用可能な電流は非常に低くなります–適切なチップを使用すると100mAが得られるが、効率が低い場合がまれです。

2.追加するステージが多いからといって、電圧出力がその回数だけ増加するわけではありません。各ステージは前のステージの出力をロードするため、出力は入力の完全な倍数ではありません。この問題は、ステージを追加するほど悪化します。

チャージポンプ回路の構築

ここに示す回路は、常緑の555タイマーICを使用する単純な3ステージチャージポンプ用です。ある意味で、この回路は「モジュラー」です。ステージをカスケード接続して出力電圧を上げることができます（制限番号2を念頭に置いて）。

必要なコンポーネント

1.555オシレーターの場合

• 555タイマー–バイポーラバリアント
• 10uF電解コンデンサ（デカップリング）
• 2x 100nFセラミックコンデンサ（デカップリング）
• 100pFセラミックコンデンサ（タイミング）
• 1K抵抗（タイミング）
• 10K抵抗（タイミング）

2.チャージポンプの場合

• 6x IN4148ダイオード（UF4007も推奨）
• 5x10uF電解コンデンサ
• 100uF電解コンデンサ

注意すべき重要なことは、チャージポンプで使用されるすべてのコンデンサは、予想される出力電圧よりも数ボルト高い定格でなければならないということです。

回路図

ブレッドボードでは次のようになります。

チャージポンプ回路の説明

1.555タイマー

ここに示されている回路は、単純な555タイマー非安定発振器です。タイミングコンポーネントの周波数は約500kHzになります（バイポーラ555の場合、それ自体が偉業です）。この高周波により、チャージポンプのコンデンサが定期的に「リフレッシュ」され、出力の電圧にリップルが大きくなりすぎないようにします。

2.チャージポンプ

これは、回路全体の中で最も威圧的な部分です。他のほとんどのものと同様に、それを単一のユニットに分解することで理解できます。

555タイマーの出力であるピン3が起動時にローであると仮定しましょう。これにより、負の端子が接地されているため、ダイオードを介してコンデンサが充電されます。出力がハイになると、負のピンもハイになりますが、コンデンサにはすでに電荷があるため（ダイオードのためにどこにも行けない）、コンデンサの正の端子に見られる電圧は実質的に入力電圧の 2倍に なります。 。

コンデンサの正端子は次のとおりです。

最終的な結果は、555タイマーの出力に_VCCのオフセットを効果的に追加することです。

50％の大きなリップルがあるため、出力として直接この電圧を使用することはできません。これを解決するために、次の図に示すようにピーク検出器を追加します。

これは上記の回路の出力です：

そして、電圧出力を2倍にすることに成功しました！

回路構築のヒント

バイポーラ555は、出力プッシュプルステージが遷移中に電源をほぼ短絡するため、電源レールに生成される電源スパイクで知られています。したがって、デカップリングは必須です。

適切なデカップリングについて説明するために、簡単に迂回します。

ここでVのだ_CCの発振器のピンは、任意のデカップリングなし：

そして、これが適切なデカップリングを備えた同じピンです。

少しのデカップリングによる違いがはっきりとわかります。

チャージポンプステージには、低インダクタンスのセラミックSMDコンデンサをお勧めします。順方向電圧降下が小さいショットキーダイオードも性能を向上させます。

適切な出力段を備えたCMOS555（おそらくTC4420のようなゲートドライバでさえ）を使用すると、電源スパイクを減らすことができます（ただし、なくすことはできません）。

チャージポンプのバリエーション

チャージポンプは、電圧を上げるだけでなく、電圧の極性を反転させるために使用できます。

この回路は、電圧ダブラと同じように機能します。555出力が高くなるとキャップが充電され、出力が低くなると電荷が2番目のコンデンサを介して逆方向に引き込まれ、出力に負の電圧が発生します。

チャージポンプはどこで使用しますか？

• 単一の電圧しか利用できない回路のオペアンプ用のバイポーラ電源。オペアンプは多くの電流を消費しないため、これは最適です。これの良いところは、インバーターとダブラーを同じ出力から駆動して、たとえば5V電源から±12V電源を作成できることです。
• ゲートドライバー–ブートストラップはオプションですが、チャージポンプは、3.3V電源から12Vゲートドライブを使用するなど、より高い電圧を生成する可能性があります。この場合、ブートストラップは7Vを超えることはありません。

したがって、チャージポンプは、入力電圧の離散倍数を作成するために使用されるシンプルで効率的なデバイスです。