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Ladungspumpe als Gleichspannungswandler

Der vergessene Wandler

14. Dezember 2016, 15:01 Uhr | Von Greg Lubarsky

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Ladungspumpen-Architekturen

Ladungspumpen-Boost-Wandler

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Der Boost- oder Aufwärts-Wandler ist der elementarste Ladungspumpen-Wandler, während der Ladungspumpen-Verdoppler die einfachste Boost-Konfiguration darstellt. Bei dieser Topologie wird der Schaltkondensator in der ersten Phase (Laden) zwischen Eingangsspannung und Masse aufgeladen und in der zweiten Phase (Entladen) zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung geschaltet. Durch dieses Stacking erhält man eine Ausgangsspannung, die das Doppelte der Ausgangsspannung beträgt (Bild 3).

Als Nebenprodukt der Spannungsverdopplung verdoppelt sich auch der Eingangsstrom unabhängig von der Eingangsspannung. Hierin besteht ein Unterschied zum magnetischen Gleichspannungswandler, bei dem der Eingangsstrom in keinem festen Verhältnis zum Ausgangsstrom steht, sondern sich gemäß dem Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung verändert. Ladungspumpen-Verdoppler sind je nach Architektur und benötigter Ausgangsspannung in geregelter oder ungeregelter Ausführung erhältlich.

Der ungeregelte Spannungsverdoppler

Im Fall des ungeregelten Spannungsverdopplers kann man sich die Schaltung als ideale Verstärkerstufe vorstellen, gefolgt von einem Serienwiderstand, der die Ausgangsimpedanz der Ladungspumpe (R_Aus) darstellt (Bild 4).

Bei einer ungeregelten Ladungspumpe bricht die Ausgangsspannung wegen des Ausgangswiderstands der Schaltung R_Aus mit zunehmendem Laststrom ein. R_Ausist je nach Bauelement unterschiedlich hoch und setzt sich aus dem Widerstand des Schalters, einer von der Schaltfrequenz und der geschalteten Kapazität zusammenhängenden Komponente sowie in geringerem Ausmaß dem äquivalenten Serienwiderstand (ESR) des Kondensators zusammen. Bei den industrieweit üblichen Keramik-Kondensatoren kann der ESR beinahe vernachlässigt werden. Je geringer R_Aus wird, umso weniger bricht die Ausgangsspannung der Ladungspumpe ein.

Vorgeregelter Verdoppler

Bei einem geregelten Ladungspumpen-Verdoppler verändert sich demgegenüber das Schaltungsprinzip (Bild 5).

Zur Regelung der Ausgangsspannung kann ein Regelungskonzept verwendet werden, bei dem abhängig von der Ausgangsspannung die Spannung variiert wird, die während der Ladephase an den Schaltkondensator gelegt wird. Kontrollieren lässt sich die Regelung, indem man mit Hilfe einer Stromquelle den in den Kondensator fließenden Strom verändert oder indem man die Impedanz des mit dem Eingang verbundenen MOSFET-Schalters variiert. Durch diese Vorregelung steht eine geregelte Ausgangsspannung zur Verfügung und die Welligkeit der Ausgangsspannung verringert sich.

Boost-Wandler mit Kondensatoren und Verstärkungsstufen

In Fällen, in denen ein höherer Wirkungsgrad verlangt wird, sollte ein Bauelement gewählt werden, das mehrere Verstärkungsstufen unterstützt. Hierzu kann mit mehreren geschalteten Kondensatoren gearbeitet werden. Werden zwei Kondensatoren statt ein einziger eingesetzt, lässt sich die Eingangsspannung um das Eineinhalbfache erhöhen. Der Baustein kann dadurch über den Eingangsbereich hinweg effizienter arbeiten, wenn das gewünschte Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung größer als 1,5, aber kleiner als 2 ist. Diese gebrochenzahlige Verstärkung der Eingangsspannung verhindert, dass die erzeugte Ausgangsspannung zu hoch ist (Bild 6, links unten).

Die beiden Diagramme in Bild 7 (rechts unten) verdeutlichen, wie sich der Wirkungsgrad verbessert, wenn bei höheren Eingangsspannungen mit niedrigerer Verstärkung gearbeitet wird. Beim oberen Diagramm wird die Eingangsspannung der Ladungspumpe um den Faktor 1,5 bzw. 2 verstärkt, während im unteren Diagramm nur eine Verstärkung um den Faktor 2 verwendet wird.