- Charge Pump ทำงานอย่างไร?
- ข้อ จำกัด ของปั๊มชาร์จ
- การสร้างวงจรปั๊มประจุ
- แผนภูมิวงจรรวม
- คำอธิบายวงจรปั๊มชาร์จ
- เคล็ดลับการสร้างวงจร
- รูปแบบปั๊มชาร์จ
- ฉันจะใช้ปั๊มชาร์จได้ที่ไหน?
สถานการณ์นั้นง่ายมาก - คุณมีรางจ่ายแรงดันต่ำพูดว่า 3.3V และคุณต้องการจ่ายไฟให้กับบางสิ่งที่ต้องการ 5V นี่เป็นการโทรที่ยากโดยเฉพาะอย่างยิ่งหากเกี่ยวข้องกับแบตเตอรี่ วิธีเดียวที่ชัดเจนคือตัวแปลงโหมดสวิตช์โดยเฉพาะอย่างยิ่งตัวแปลงเพิ่ม
นี่คือจุดที่เราชนสิ่งกีดขวาง - บูสต์คอนเวอร์เตอร์ไม่มีประสิทธิภาพในการใช้พลังงานต่ำเนื่องจากพลังงานจำนวนมากถูกใช้ไปเพื่อรักษาระเบียบให้ตรงจุดและขับเคลื่อนสวิตช์เปิดปิด นอกจากนี้ตัวแปลงโหมดสวิตช์ประเภทนี้จะมีเสียงดังซึ่งเป็นปัญหาหากคุณกำลังจัดการกับวงจรที่ละเอียดอ่อน คุณอยู่ในตำแหน่งที่ไม่สบายใจกับโซลูชันที่ออกแบบมากเกินไป ตัวควบคุมเชิงเส้นไม่ทำงานในลักษณะย้อนกลับดังนั้นจึงถูกตัดออกว่าไม่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรม
แล้วเราจะลากเส้นตรงไหนระหว่างออกแบบมากเกินไปและไม่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรม?
คำตอบสำหรับปัญหานี้คือCharge Pumpซึ่งโดยตัวมันเองเป็นแหล่งจ่ายไฟโหมดสวิตช์ เป็นชื่อแนะนำชนิดของแปลงนี้ย้ายค่าใช้จ่ายที่ไม่ต่อเนื่องไปรอบ ๆ และส่วนประกอบที่ร้านค้าค่าใช้จ่ายที่ไม่ต่อเนื่องเหล่านี้คือตัวเก็บประจุดังนั้นชนิดของการแปลงนี้จะเรียกว่าบิน Capacitor แปลง
ปั๊มประจุจะสร้างแรงดันไฟฟ้าขาเข้าแบบไม่ต่อเนื่องโดยใช้ตัวเก็บประจุ
Charge Pump ทำงานอย่างไร?
วิธีที่ดีที่สุดในการทำความเข้าใจคือจินตนาการถึงสถานการณ์ต่อไปนี้
คุณชาร์จตัวเก็บประจุโดยใช้แบตเตอรี่ 9V ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุจึงเท่ากับ 9V จากนั้นคุณก็ใช้ตัวเก็บประจุตัวอื่นและชาร์จได้สูงถึง 9V ด้วย ตอนนี้เชื่อมต่อตัวเก็บประจุสองตัวในอนุกรมและวัดแรงดันไฟฟ้าระหว่างพวกเขา - 18V
นี่เป็นหลักการพื้นฐานของการทำงานของปั๊มประจุ - ใช้ตัวเก็บประจุสองตัวชาร์จทีละตัวจากนั้นวางเป็นชุดแม้ว่าในปั๊มประจุจริงการจัดเรียงใหม่จะทำด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์
แน่นอนว่าสิ่งนี้ไม่ได้ จำกัด อยู่แค่ตัวเก็บประจุเพียงสองตัวเท่านั้น แต่สามารถเรียงต่อเนื่องกันเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นในเอาต์พุต
ข้อ จำกัด ของปั๊มชาร์จ
ก่อนที่เราจะสร้างมันเป็นความคิดที่ดีที่จะทำความรู้จักกับข้อ จำกัด ของปั๊มประจุไฟฟ้า
1. กระแสไฟขาออกที่ใช้ได้ - เนื่องจากปั๊มประจุไม่มีอะไรเลยนอกจากตัวเก็บประจุที่ชาร์จและคายประจุเป็นรอบกระแสที่มีอยู่จึงต่ำมาก - มีบางกรณีที่หายากที่การใช้ชิปที่เหมาะสมจะทำให้คุณได้รับ 100mA แต่มีประสิทธิภาพต่ำ
2. ยิ่งคุณเพิ่มสเตจมากขึ้นไม่ได้หมายความว่าเอาต์พุตแรงดันไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นหลาย ๆ ครั้งแต่ละสเตจจะโหลดเอาต์พุตของสเตจก่อนหน้าดังนั้นเอาต์พุตจึงไม่ใช่อินพุทที่สมบูรณ์ ปัญหานี้จะแย่ลงเมื่อคุณเพิ่มขั้นตอนมากขึ้น
การสร้างวงจรปั๊มประจุ
วงจรที่แสดงที่นี่ใช้สำหรับปั๊มประจุไฟฟ้าแบบสามขั้นตอนที่ใช้ IC จับเวลา 555 เอเวอร์กรีน ในแง่หนึ่งวงจรนี้เป็น 'โมดูลาร์' - ขั้นตอนสามารถต่อเรียงกันเพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าขาออก (โดยคำนึงถึงข้อ จำกัด หมายเลขสอง)
ส่วนประกอบที่จำเป็น
1. สำหรับ 555 Oscillator
- 555 ตัวจับเวลา - ตัวแปรสองขั้ว
- ตัวเก็บประจุไฟฟ้า 10uF (แยก)
- ตัวเก็บประจุเซรามิก 2x 100nF (แยก)
- ตัวเก็บประจุเซรามิก 100pF (เวลา)
- ตัวต้านทาน 1K (เวลา)
- ตัวต้านทาน 10K (เวลา)
2. สำหรับ Charge Pump
- 6x IN4148 ไดโอด (แนะนำให้ใช้ UF4007)
- ตัวเก็บประจุไฟฟ้า 5x 10uF
- ตัวเก็บประจุไฟฟ้า 100uF
สิ่งสำคัญที่ควรทราบคือตัวเก็บประจุทั้งหมดที่ใช้ในปั๊มประจุจะต้องได้รับการจัดอันดับให้มากกว่าแรงดันไฟฟ้าขาออกที่คาดไว้สองสามโวลต์
แผนภูมิวงจรรวม
นี่คือลักษณะที่ปรากฏบนเขียงหั่นขนม:
คำอธิบายวงจรปั๊มชาร์จ
1. ตัวจับเวลา 555
วงจรที่แสดงที่นี่คือออสซิลเลเตอร์แบบจับเวลาแบบตรงไปตรงมา 555 ส่วนประกอบการจับเวลาส่งผลให้มีความถี่ประมาณ 500kHz (ซึ่งสำหรับคนสองขั้ว 555 เป็นความสำเร็จในตัวเอง) ความถี่สูงนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าตัวเก็บประจุบนปั๊มประจุจะถูก 'รีเฟรช' เป็นระยะเพื่อให้แรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตไม่กระเพื่อมมากเกินไป
2. ปั๊มชาร์จ
นี่เป็นส่วนที่น่ากลัวที่สุดในวงจรทั้งหมด เช่นเดียวกับสิ่งอื่น ๆ ส่วนใหญ่สามารถเข้าใจได้โดยแยกย่อยเป็นหน่วยเดียว:
สมมติว่าพิน 3 ซึ่งเป็นเอาต์พุตของตัวจับเวลา 555 อยู่ในระดับต่ำระหว่างการเริ่มต้น ส่งผลให้ตัวเก็บประจุชาร์จผ่านไดโอดเนื่องจากขั้วลบต่อสายดินแล้ว เมื่อเอาต์พุตสูงขาลบก็จะสูงเช่นกัน - แต่เนื่องจากมีประจุบนตัวเก็บประจุอยู่แล้ว (ซึ่งไปไหนไม่ได้เพราะไดโอด) แรงดันไฟฟ้าที่เห็นที่ขั้วบวกของตัวเก็บประจุจะ เพิ่ม แรงดันไฟฟ้าอินพุตเป็น สองเท่า .
นี่คือขั้วบวกของตัวเก็บประจุ:
ผลลัพธ์สุดท้ายคือคุณเพิ่มออฟเซ็ตของ V CCให้กับเอาต์พุตของตัวจับเวลา 555 ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ตอนนี้แรงดันไฟฟ้าโดยตรงเนื่องจากเอาต์พุตไม่มีประโยชน์เนื่องจากมีการกระเพื่อมขนาดใหญ่ 50% ในการแก้ปัญหานี้เราได้เพิ่มเครื่องตรวจจับจุดสูงสุดดังแสดงในรูปด้านล่าง:
นี่คือผลลัพธ์ของวงจรด้านบน:
และเราได้เพิ่มแรงดันไฟฟ้าเป็นสองเท่าเรียบร้อยแล้ว!
เคล็ดลับการสร้างวงจร
ไบโพลาร์ 555 เป็นที่รู้จักกันดีในเรื่องของการเพิ่มขึ้นของอุปทานที่สร้างขึ้นบนรางจ่ายเนื่องจากขั้นตอนการผลักดึงเอาต์พุตเกือบจะขาดอุปทานในระหว่างการเปลี่ยน ดังนั้นdecoupling มีผลบังคับใช้
ฉันจะอ้อมไปบอกคุณบางอย่างเกี่ยวกับการแยกส่วนที่เหมาะสม
นี่คือพินV CCของออสซิลเลเตอร์โดยไม่มีการแยกส่วนใด ๆ:
และนี่คือพินเดียวกันที่มีการแยกส่วนที่เหมาะสม:
คุณสามารถเห็นความแตกต่างได้อย่างชัดเจนจากการแยกชิ้นส่วนเล็กน้อย
เหนี่ยวนำต่ำประจุ SMD เซรามิกมีการแนะนำสำหรับขั้นตอนการคิดค่าใช้จ่ายปั๊ม ไดโอด Schottky ที่มีแรงดันตกไปข้างหน้าต่ำยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ
การใช้ CMOS 555 ที่มีขั้นตอนการส่งออกที่เหมาะสม (อาจเป็นตัวขับเกตเช่น TC4420) สามารถลด (แต่ไม่กำจัด) อุปทานที่เพิ่มขึ้น
รูปแบบปั๊มชาร์จ
ปั๊มชาร์จไม่เพียง แต่เพิ่มแรงดันเท่านั้น แต่ยังสามารถใช้เพื่อกลับขั้วของแรงดันไฟฟ้าได้อีกด้วย
วงจรนี้ทำงานในลักษณะเดียวกับแรงดันไฟฟ้าสองเท่า - เมื่อเอาต์พุต 555 สูงขึ้นฝาจะชาร์จขึ้นและเมื่อเอาต์พุตมีประจุไฟฟ้าต่ำจะถูกดึงผ่านตัวเก็บประจุตัวที่สองในทิศทางย้อนกลับทำให้เกิดแรงดันลบที่เอาต์พุต
ฉันจะใช้ปั๊มชาร์จได้ที่ไหน?
- แหล่งจ่ายไบโพลาริตีสำหรับออปแอมป์ในวงจรที่มีแรงดันไฟฟ้าเพียงตัวเดียว ออปแอมป์ไม่กินกระแสมากดังนั้นนี่คือขนาดที่พอดี สิ่งที่ดีเกี่ยวกับเรื่องนี้คืออินเวอร์เตอร์และตัวดับเบิ้ลสามารถขับเคลื่อนจากเอาต์พุตเดียวกันโดยสร้างกล่าวว่าแหล่งจ่าย± 12V จากแหล่งจ่าย 5V
- ไดรเวอร์ประตู - bootstrapping เป็นตัวเลือกหนึ่ง แต่ปั๊มประจุมีศักยภาพในการสร้างแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นกล่าวคือมีไดรฟ์เกต 12V จากแหล่งจ่าย 3.3V Bootstrapping จะไม่ให้คุณมากกว่า 7V ในกรณีนี้
ดังนั้นปั๊มประจุจึงเป็นอุปกรณ์ที่เรียบง่ายและมีประสิทธิภาพที่ใช้ในการสร้างแรงดันไฟฟ้าขาเข้าแบบทวีคูณแบบไม่ต่อเนื่อง