Ladungspumpe als Gleichspannungswandler Der vergessene Wandler

Ladungspumpen eignen sich als Gleichspannungswandler, die sich einfach und auf wenig Leiterplattenfläche implementieren lassen. Worauf beim Layout-Design sowie bei der Auswahl der passiven Komponenten geachtet werden muss, lesen Sie in diesem Artikel.

Beim Design von Stromversorgungen für analoge Schaltungen werden induktive Gleichspannungswandler und Low-Dropout-Regler (LDOs) häufig als entscheidende Bausteine betrachtet. Tatsächlich sind der hohe Wirkungsgrad induktiver Wandler und die Einfachheit der LDOs attraktive Merkmale bei einem neuen Design. Doch es gibt noch einen weiteren Wandlertyp, der quasi ein Mittelding zwischen diesen beiden Bauarten ist.

Der Ladungspumpen- oder Schaltkondensator-Wandler (Switched Capacitor) ist ein Schaltregler, der die Last durch das Laden und Entladen von Kondensatoren mit Strom versorgt. Auch wenn der Wirkungsgrad dem induktiver Wandler etwas nachsteht, zeichnen sich die Ladungspumpen durch eine einfache Anwendung, kleine Abmessungen und eine Robustheit aus, mit der die induktive Alternative nicht mithalten kann.

Ladungspumpen-Bausteine werden ebenso wie ihre magnetischen Gegenstücke in Boost-, Buck- oder invertierender Ausführung angeboten, ohne dass allerdings die Kosten und die Leiterplattenfläche des induktiven Bauelements zum Tragen kommen.

Dieser Artikel behandelt die Vor- und Nachteile von Ladungspumpen-Wandlertopologien, nennt Anwendungsbeispiele im industriellen Bereich und in kleinen elektronischen Geräten und gibt zusätzlich Hinweise zur Auswahl der richtigen Bauelemente.

Grundlagen zu Ladungspumpen

Funktionsweise

Mit einer geringen Zahl kleiner, externer Kondensatoren ist ein Ladungspumpen-Wandler genau wie ein magnetischer Gleichspannungswandler in der Lage, eine Gleichspannung in eine andere zu verwandeln. Die Funktion einer Ladungspumpe beruht auf dem sinnvollen Laden und Entladen der geschalteten Kondensatoren, auch fliegende Kondensatoren (CFLY) genannt, mit Hilfe eines Array aus internen, als Schalter fungierenden MOSFETs. Ladungspumpen eignen sich für Anwendungen, die geringe Lastströme (unter 250 mA) benötigen und bei denen die Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung gering ist (typisch von 5,5 V auf 2,7 V). Durch Manipulieren der Kondensatorverbindungen lässt sich die Eingangsspannung unterschiedlich anheben, um die gewünschte Ausgangsspannung zu erzeugen. Je nach Architektur kann eine geregelte, z.B. +5 oder +1,8 V, oder ungeregelte Ausgangsspannung (UAus = UEin ∙ Gain) zur Verfügung gestellt werden.

Induktiver oder kapazitiver Wandler?

Die Verstärkung von Ladungspumpen ist nicht stetig variierbar; wie viele Verstärkungen möglich sind, hängt von der Zahl der Schaltkondensatoren und der chipintegrierten Schalter ab. Die Quantisierung der Verstärkung hat zur Folge, dass der aus der Stromversorgung entnommene Strom das Produkt aus dem Laststrom und der Ladungspumpen-Verstärkung ist. Hierin besteht also ein Unterschied zum induktiven Gleichspannungswandler, bei dem sich das Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung durch Variieren des Tastverhältnisses über einen weiten Bereich verändern lässt.

Vergleicht man die Wirkungsgrad-Kennlinien beider Wandlerbauarten, so zeigt sich bei einem typischen Ladungspumpen-Wandler ein sägezahnförmiger Verlauf, wenn sich die Eingangsspannung ändert, während ein magnetischer Boost-Wandler einen nahezu flachen Verlauf zeigt (Bild 1). Was die Verlustleistung betrifft, ist die induktive Lösung in der Regel effizienter als die Ladungspumpe. In einem gängigen Eingangsspannungsbereich von 5,5 bis 2,7 V liegt der durchschnittliche Wirkungsgrad der Ladungspumpen-Schaltung bei höheren Strömen bei 70 %, während es die induktive Variante auf Werte im mittleren 80%-Bereich, häufig mit Spitzenwerten im unteren 90%-Bereich bringt.

Durch den Wegfall der Induktivität und der strikten Layout-Vorgaben, die kennzeichnend für induktive Schaltungen sind, kommt die Variante mit Ladungspumpen mit einer kleineren Leiterplatte aus und erfüllt dennoch die Anforderungen der Last. Der Verzicht auf die Induktivität gestattet es nicht zuletzt, die Abmessungen des Design in z-Richtung, sprich: die Höhe, zu verringern.

In Bild 2 wird deutlich, dass der Ladungspumpen-Baustein LM2775 wegen der fehlenden Induktivität deutlich kleiner ist. Er ist darüber hinaus auch flacher, da der LM2775 mit 0,75 mm die maximale Bauhöhe festlegt, während es bei der induktiven Variante die Spule (mit 1 mm) ist.