상황은 간단합니다. 저전압 공급 레일 (예: 3.3V)이 있고 5V가 필요한 장치에 전원을 공급하려고합니다. 이것은 특히 배터리가 관련된 경우 어려운 요청입니다. 유일한 명백한 방법은 스위치 모드 컨버터, 특히 부스트 컨버터입니다.
이것은 우리가 장애물에 부딪힌 부분입니다. 부스트 컨버터는 저전력에서 비효율적입니다. 왜냐하면 단지 레귤레이션을 유지하고 전원 스위치를 구동하기 위해 많은 에너지가 소비되기 때문입니다. 또한이 유형의 스위치 모드 컨버터는 잡음이 있습니다. 민감한 회로를 다룰 경우 문제가됩니다. 과도하게 엔지니어링 된 솔루션의 불편한 위치에 있습니다. 선형 레귤레이터는 역으로 작동하지 않으므로 설계가 부족한 것으로 배제됩니다.
그렇다면 우리는 과잉 엔지니어링과 저조 엔지니어링 사이의 경계를 어디에서 그릴까요?
이 문제에 대한 답은 그 자체가 일종의 스위치 모드 전원 공급 장치 인 차지 펌프 입니다. 이름에서 알 수 있듯이 이러한 종류의 컨버터는 이산 전하를 이동하고 이러한 이산 전하를 저장하는 구성 요소가 커패시터이므로 이러한 종류의 컨버터를 플라잉 커패시터 컨버터 라고도합니다.
차지 펌프는 커패시터를 사용하여 입력 전압의 이산 배수를 생성합니다.
차지 펌프는 어떻게 작동합니까?
이것을 이해하는 가장 좋은 방법은 다음 상황을 상상하는 것입니다.
9V 배터리를 사용하여 커패시터를 충전하므로 커패시터 양단의 전압도 9V입니다. 그런 다음 다른 커패시터를 사용하여 최대 9V까지 충전합니다. 이제 두 개의 커패시터를 직렬로 연결하고 이들의 전압 (18V)을 측정합니다.
이것이 차지 펌프 작동의 기본 원리 입니다. 두 개의 커패시터를 개별적으로 충전 한 다음 직렬로 연결 하지만 실제 차지 펌프에서는 재 배열이 전자적으로 수행됩니다.
물론 이것은 2 개의 커패시터에만 국한되지 않고 연속 단계를 계단식으로 연결하여 출력에서 더 높은 전압을 얻을 수 있습니다.
차지 펌프의 한계
하나를 만들기 전에 차지 펌프의 한계를 아는 것이 좋습니다.
1. 사용 가능한 출력 전류 – 차지 펌프는 주기적으로 충전 및 방전되는 커패시터 일 뿐이므로 사용 가능한 전류는 매우 낮 습니다. 드문 경우지만 올바른 칩을 사용하여 100mA를 얻을 수 있지만 효율성이 낮습니다.
2. 더 많은 단계를 추가한다고해서 전압 출력이 여러 번 증가하는 것은 아닙니다. 각 단계는 이전 단계의 출력을로드하므로 출력이 입력의 완전한 배수가 아닙니다. 이 문제는 더 많은 단계를 추가할수록 악화됩니다.
차지 펌프 회로 구축
여기에 표시된 회로 는 에버그린 555 타이머 IC를 사용 하는 간단한 3 단계 차지 펌프 용 입니다. 어떤 의미에서이 회로는 '모듈 형'입니다. 단계를 계단식으로 연결하여 출력 전압을 높일 수 있습니다 (제한 번호 2를 염두에두고 있음).
필요한 구성 요소
1. 555 오실레이터의 경우
- 555 타이머 – 양극성 버전
- 10uF 전해 커패시터 (디커플링)
- 2x 100nF 세라믹 커패시터 (디커플링)
- 100pF 세라믹 커패시터 (타이밍)
- 1K 저항 (타이밍)
- 10K 저항 (타이밍)
2. 차지 펌프의 경우
- 6x IN4148 다이오드 (UF4007도 권장 됨)
- 5x 10uF 전해 커패시터
- 100uF 전해 콘덴서
중요한 점은 차지 펌프에 사용되는 모든 커패시터의 정격이 예상 출력 전압보다 몇 볼트 더 높아야한다는 것입니다.
회로도
브레드 보드에서 다음과 같이 보입니다.
차지 펌프 회로 설명
1. 555 타이머
여기에 표시된 회로는 간단한 555 타이머 불안정 발진기입니다. 타이밍 구성 요소는 약 500kHz의 주파수를 생성합니다 (바이폴라 555의 경우 그 자체로 위업입니다). 이 고주파수는 출력의 전압이 너무 많은 리플을 갖지 않도록 차지 펌프의 커패시터가 주기적으로 '리프레시'되도록합니다.
2. 차지 펌프
이것은 전체 회로에서 가장 위협적인 부분입니다. 대부분의 다른 것들과 마찬가지로 단일 단위로 분해하여 이해할 수 있습니다.
555 타이머의 출력 인 핀 3이 스타트 업 중에 낮다고 가정 해 보겠습니다. 이로 인해 음극 단자가 이제 접지 되었기 때문에 다이오드를 통해 커패시터가 충전됩니다. 출력이 높아지면 네거티브 핀도 높아집니다. 그러나 이미 커패시터에 전하가 있기 때문에 (다이오드 때문에 어디로도 갈 수 없습니다) 커패시터의 포지티브 단자에서 보이는 전압은 사실상 입력 전압의 두 배입니다 ..
커패시터의 양극 단자는 다음과 같습니다.
최종 결과는 555 타이머의 출력에 V CC 오프셋을 효과적으로 추가하는 것 입니다.
이제 출력으로서 직접이 전압은 쓸모가 없습니다. 50 %의 엄청난 리플이 있기 때문입니다. 이를 해결하기 위해 아래 그림과 같이 피크 감지기를 추가합니다.
이것은 위 회로의 출력입니다.
그리고 우리는 전압 출력을 성공적으로 두 배로 늘 렸습니다!
회로 구성 팁
바이폴라 555는 공급 레일에서 생성되는 공급 스파이크로 알려져 있습니다. 출력 푸시-풀 단계가 전환 중에 공급을 거의 단락시키기 때문입니다. 따라서 디커플링은 필수 입니다.
적절한 디커플링에 대해 알려 드리기 위해 잠시 우회하겠습니다.
디커플링이없는 오실레이터 의 V CC 핀은 다음과 같습니다.
그리고 적절한 디커플링이있는 동일한 핀이 있습니다.
약간의 디커플링이 만드는 차이를 분명히 볼 수 있습니다.
낮은 인덕턴스 세라믹 SMD 커패시터는 차지 펌프 단계에 권장됩니다. 순방향 전압 강하가 낮은 쇼트 키 다이오드도 성능을 향상시킵니다.
적절한 출력 단계 (TC4420과 같은 게이트 드라이버도 가능) 와 함께 CMOS 555를 사용 하면 공급 스파이크를 줄일 수 있습니다 (제거 할 수는 없음).
차지 펌프 변형
차지 펌프는 전압을 증가시킬뿐만 아니라 전압 극성을 반전하는 데 사용할 수 있습니다.
이 회로는 전압 더블 러와 동일한 방식으로 작동합니다. 555 출력이 높아지면 캡이 충전되고 출력이 낮아지면 충전이 반대 방향으로 두 번째 커패시터를 통해 당겨져 출력에 음의 전압이 생성됩니다.
차지 펌프는 어디에서 사용합니까?
- 단일 전압 만 사용할 수있는 회로의 연산 증폭기 용 양극성 공급 장치입니다. 연산 증폭기는 많은 전류를 소비하지 않으므로 이것이 완벽하게 맞습니다. 이것에 대한 좋은 점은 인버터와 더블 러가 동일한 출력에서 구동 될 수 있다는 것입니다. 예를 들어 5V 전원에서 ± 12V 전원을 생성합니다.
- 게이트 드라이버 – 부트 스트랩은 옵션이지만 차지 펌프는 3.3V 전원에서 12V 게이트 드라이브를 사용하여 더 높은 전압을 생성 할 가능성이 있습니다. 이 경우 부트 스트랩은 7V 이상을 제공하지 않습니다.
따라서 차지 펌프는 입력 전압의 개별 배수를 생성하는 데 사용되는 간단하고 효율적인 장치입니다.