Ladungspumpe als Gleichspannungswandler
Der vergessene Wandler
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Anwendung für Boost-Wandler
USB-OTG
Die in Bild 8 (links unten) gezeigte Konfiguration des LM2775 mit geregeltem 5-V-Ausgang wird häufig für USB-OTG- (Universal Serial Bus On-The-Go) und HDMI-Anwendungen (High-Definition Multimedia Interface) verwendet. Der Baustein lässt sich einfach aktivieren bzw. deaktivieren, indem ein Logiksignal an den EN-Pin gelegt und der OUTDIS-Anschluss mit der Masse verbunden wird. Je nach dem USB/HDMI-Modus der Applikation kann der Baustein aktiviert werden, um die Stromversorgungs-Leitung des Busses anzusteuern (Host), oder er wird deaktiviert und der Ausgang hochohmig geschaltet (Slave). In diesem Fall kann eine externe Stromversorgung die Busleitung versorgen. Abgesehen vom Backdrive-Schutz im hochohmigen Zustand ist eine Ausgangs-Strombegrenzung auf 250 mA (typisch) aktiv, die damit die Anforderungen von USB-OTG und HDMI problemlos erfüllt.
Nachgeregelter Spannungsverdoppler
Wenn die vorgesehene Anwendung eine geregelte Ausgangsspannung benötigt, die erforderliche Spannung aber von keiner geregelten Ladungspumpe unterstützt wird, lässt sich der ungeregelte Ausgang durch einen LDO ergänzen (Bild 9, rechts unten).
Anwendungen für Boost-Wandler
Invertierende Ladungspumpen – Ungeregelter Umrichter
Die nächstgängige Ladungspumpen-Schaltung mit einem Kondensator invertiert die Eingangsspannung. Während der Ladephase wird der Kondensator zwischen Eingangsspannung und Masse geschaltet. Während des Entladens dagegen wird die positive Seite des geschalteten Kondensators mit der Masse verbunden, während die negative Seite an den Ausgang gelegt wird (Bild 10, links unten).
Die Ausgangsspannung wird beim ungeregelten Umrichter nach demselben Grundprinzip erzeugt wie bei einem ungeregelten Spannungsverdoppler, allerdings mit dem Unterschied, dass der Verstärkungsfaktor hier –1 beträgt. Ebenso wie beim Verdoppler kann hier ein LDO für negative Spannungen benutzt werden, um eine geregelte Ausgangsspannung mit negativem Vorzeichen zu erzeugen (Bild 11, rechts unten).
Invertierende Ladungspumpen - Ungeregelter Umrichter
Anwendungen für Umrichter
Dank seiner Fähigkeit, mit hoher Effizienz eine negative Version der Eingangsspannung zu erzeugen, empfiehlt sich der von einem rauscharmen LDO gefolgte ungeregelte Umrichter als ideale Schaltung, wenn eine negative Versorgungsspannung für einen Verstärker bereitgestellt werden soll. Bei dieser Architektur kommt es darauf an, die Spannungsabfälle im Wandler und im LDO einzukalkulieren. Man darf dabei aber nicht vergessen, dass die Ausgangsspannung des Wandlers mit zunehmendem Laststrom abnimmt. Um diese Spannungsabfälle zu berücksichtigen, muss die Eingangsspannung stets größer sein als die Summe der gewünschten Ausgangsspannung und der Dropout-Spannung des LDO (Bild 12).
Buck-Ladungspumpe
Ungeregelter Halbierer
Die dritte grundlegende Ladungspumpen-Wandlerschaltung erzeugt eine Ausgangsspannung, die einem Bruchteil der Eingangsspannung entspricht. Die einfachste Variante ist der halbierende Buck-Wandler. Er basiert auf jener Konfiguration mit vier Schaltern, die schon beim verdoppelnden Boost-Wandler und beim Umrichter zum Einsatz kam. Tatsächlich ist der halbierende Buck-Wandler so etwas wie ein umgekehrt arbeitender Verdoppler.
Ein Beispiel für einen konfigurierbaren Baustein ist der LM2663, obwohl dieser hauptsächlich als ungeregelter Verdoppler oder Umrichter eingesetzt wird. Indem man den Eingang und den Ausgang des Verdopplers schaltet, wird der zunächst zwischen UEin und UAus liegende Kondensator mit UAus und GND (Masse) verbunden (Bild 13).
Der geregelte Spannungs-Halbierer
In Fällen, in denen man einen LDO zum Regeln der Ausgangsspannung einsetzen könnte, während die Welligkeit des Ausgangs ansonsten kein vorrangiges Designkriterium darstellt, kommt ein geregelter Ladungspumpen-Buck-Wandler als mögliche Lösung in Frage. In einem Baustein dieser Art wird die Regelung entweder durch Kontrollieren des Stroms mit den am Eingang liegenden Schaltern oder durch Pulsfrequenz-Modulation erreicht. Die meisten derartigen Bauelemente bieten zusätzlich einen niederohmigen Durchlassmodus für Fälle, in denen das Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung nahezu 1 beträgt. Dieser Effizienzzuwachs und das Umschalten in den Durchlassmodus prägen die Wirkungsgradkurve bei der Regelung einer Ausgangsspannung von 1,5 V (Bild 14). Die Kurve offenbart, dass sich eine Wirkungsgradsteigerung um 30 Prozentpunkte erzielen lässt, wenn man eine geregelte Ladungspumpe (blau) anstatt eines LDO (rot) verwendet.
Geregelter Buck-Wandler mit mehreren Verstärkungsstufen
Im geregelten Buck-Halbierer lässt der Ladungspumpen-Wandler mit mehreren Verstärkungsstufen einen noch größeren Wirkungsgradzuwachs über den nutzbaren Eingangsbereich zu. Er benötigt dafür nur einen oder zwei zusätzliche Schaltkondensatoren. Zum Beispiel handelt es sich bei dem LM2772 um einen geregelten 1,2-V-Buck-Wandler, der mit drei Schaltkondensatoren Verstärkungen von einem Drittel, zwei Fünftel und ein halb realisieren kann. In Bild 15 sind die drei verschiedenen Verstärkungsregionen zu sehen (LM2772 in blau und LDO in rot). Von 5,5 V bis nahe 4,6 V arbeitet der Wandler mit einer Verstärkung von einem Drittel, während zwischen 4,6 V und beinahe 3,7 V eine Verstärkung von zwei Fünftel aktiv ist. Von 3,7 bis 3,0 V schließlich beträgt der Verstärkungsfaktor 0,5.
- Der vergessene Wandler
- Ladungspumpen-Architekturen
- Anwendung für Boost-Wandler
- Passive Bauelemente und Layout
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