Generowanie napięć pomocniczych za pomocą pomp ładunku

Rys. 1. Typowy układ zasilacza do wyświetlacza TFT LCD z zewnętrznymi pompami ładunku pracujący z częstotliwością 1,2 MHz

W konfiguracji pokazanej na rysunku 1 zewnętrzna pompa ładunku dodatniego zapewnia napięcie maksymalnie 3 razy większe od napięcia wyjściowego przetwornika podwyższającego napięcie VS - czyli 45V - zanim zostanie ono obniżone do poziomu VGH wynoszącego 27V, wymaganego przez aplikację. W drugim bloku regulacji pompa ładunku ujemnego obniża w tym przypadku napięcie wyjściowe VGL do -7 V z poziomu 15 V, czyli napięcia wytwarzanego przez przetwornik podwyższający napięcie.

Pompa ładunku dodatniego

Działanie pompy ładunku w układzie potrajacza najlepiej widać na rysunku 2, na którym pokazano fragment obwodu sterownika z typowej aplikacji. Zakładamy stan ustalony, pełną idealność elementów i że cykl pracy przetwornika podwyższającego napięcie wynosi 50%. Rezystor R1 na rysunku 2 ma oporność 0Ω, a jego jedynym zadaniem jest pomiar prądu płynącego do kondensatorów C1 i C2.

W fazie włączenia tranzystora przełączającego zawartego w TPS61087, przy VSW = 0 V, kondensator poziomujący (o zmiennym potencjale) C1 zostaje naładowany do napięcia VS poprzez diodę D1. Jednocześnie i w podobny sposób kondensator magazynujący C3 ładuje kondensator C2 do napięcia 2·VS za pośrednictwem diody D3. Diody D2 i D4 są spolaryzowane zaporowo. Ponieważ wyjście VCPP nie jest już zasilane, kondensator wyjściowy C4 musi dostarczyć do obwodu wymagany prąd wyjściowy 20mA.

W fazie wyłączenia napięcie węzła przełączania wzrasta, a napięcie VSW sumuje się z potencjałem kondensatorów poziomujących C1 i C2, podwyższając napięcie na C3 i C4 do odpowiednio 2·VS oraz 3·VS (przy VSW = VS). Dioda D2 zostaje spolaryzowana w kierunku przewodzenia i umożliwia przepływ prądu do kondensatora C3, który zostaje naładowany do napięcia 2·VS. W ten sam sposób dioda D4 przewodzi prąd, a ładunek zgromadzony w C3 ładuje kondensator wyjściowy z powrotem do napięcia 3·VS, jednocześnie zasilając obwód wyjściowy wymaganym prądem 20mA.

W końcu, w fazie wyłączenia, konwerter dostarcza 80mA do kondensatorów poziomujących oraz 40mA do kondensatora wyjściowego przetwornika podwyższającego napięcie, który w fazie włączenia rozładował się do kondensatora C1. W ten sposób prąd płynący przez obwody wyjściowe przetwornika TPS średnio odpowiada 3-krotności prądu wyjściowego pompy ładunku dodatniego, tj. 60mA w omawianym przykładzie.

Pompa ładunku ujemnego

Rys. 2. Pompa ładunku dla dodatniego napięcia wyjściowego

Zewnętrzna pompa ładunku ujemnego zapewnia ujemne napięcie wyjściowe -VS (rys. 1), a blok regulacji zapewnia w kolejności jego stabilizację. Działanie sterownika pompy ładunku ilustruje rysunek 3.

W czasie, gdy tranzystor przełączający w przetworniku TPS jest wyłączony, napięcie VSW jest bliskie Vs, czyli 15V, kondensator poziomujący C6 zostaje naładowany za pośrednictwem diody D6 do napięcia VSW = VS. W tym czasie kondensator wyjściowy C7 dostarcza 20mA prądu wyjściowego.

W fazie włączenia (VSW = 0V) wyjście kondensatora poziomującego C6, które wcześniej naładowane było dodatnio, zostaje podłączone do masy, a napięcie obniża się do -VS. Dioda D7 jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia, co umożliwia przepływ prądu i zasilanie obwodu wyjściowego.

Podobnie jak w przypadku pompy ładunku dodatniego, średni prąd obciążający przetwornik TPS jest dwukrotnie wyższy niż prąd wyjściowy pompy ładunku ujemnego, tj. 40mA w omawianym przykładzie.

Pompa ładunku - układ rzeczywisty

W rzeczywistych zastosowaniach współczynnik wypełnienia impulsów wyjściowych przetwornika nie wynosi 50%, gdyż zależy to od stopnia obciążenia i napięcia wejściowego, a elementy zewnętrzne mają straty, które należy uwzględnić w projekcie.

Kondensatory poziomujące odpowiadają za gromadzenie i przekazywanie ładunku do odpowiednich wyjść. Wybór zbyt małej pojemności może zwiększyć impedancję wyjściową układów zasilaczy i spowodować spadek napięcia na wyjściach pompy ładunku. Dla ograniczenia strat reaktancja kondensatorów powinna być możliwie mała.

W większości zastosowań dobrze jest zacząć od pojemności w granicach od 470nF do 1μF, ale konkretna wartość zależy przede wszystkim od prądu wyjściowego, dopuszczalnego tętnienia napięcia wyjściowego lub szybkości odpowiedzi impulsowej układu. Ponieważ każda dioda Schottky’ego powinna móc blokować napięcie VS, należy je wybierać w taki sposób, aby ich napięcie wsteczne wynosiło co najmniej VS przy prądzie znamionowym większym niż prąd przepływający przez element.

Rys. 3. Pompa ładunku ujemnego napięcia wyjściowego

Ładowanie kondensatorów na początku pracy i przy zmianach prądu obciążenia powoduje silne obciążenie przetwornika TPS, dla którego natężenie może dochodzić nawet do kilku amperów. W ograniczeniu przetężenia pomaga rezystor R1 (rys. 1), umieszczony między węzłem przełączania przetwornika podwyższającego napięcie a wyprowadzeniem kondensatora poziomującego.

Dla wartości 1Ω amplituda prądu ładowania wynosi 250mA. Wartość rezystancji można jeszcze zwiększyć, ale kosztem większej rezystancji wewnętrznej, strat mocy i wahań napięcia wyjściowego, ponieważ kondensatory nie są naładowane do napięcia VS, lecz VS - VR1. Zazwyczaj do ograniczenia prądu wystarcza rezystor 10Ω.

Blok regulacji

Napięcie dostarczane przez pompę ładunku jest następnie stabilizowane w klasycznym układzie liniowym, ale można także zastosować regulator scalony jak na przykład TL432.Większe wartości napięć można uzyskać, dodając jeszcze jeden stopień powielania napięcia i dobierając elementy odpowiednio do prądu i napięcia. Pompy ładunku o dużej mocy można zrealizować za pomocą samodzielnych przetworników podwyższających napięcie, np. układów TPS61085 lub TPS61087.

Nicolas Guibourg, Texas Instruments