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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 3

Passive Bauelemente und Layout

Auswahl der Kondensatoren

Die Wahl der Kondensatoren für einen Ladungspumpen-Gleichspannungswandler hat einen hohen Stellenwert, weil diese Bauelemente entscheidend für die Leistungsfähigkeit der gesamten Schaltung sind.

Die meisten Ladungspumpen benötigen für eine einwandfreie Funktion drei oder vier externe Kondensatoren. Empfohlen wird die Verwendung oberflächenmontierter Keramik-Kondensatoren, da diese klein und kostengünstig sind und einen sehr geringen ESR von typisch ≤15 mΩ besitzen. Tantal- und OS-CON-Kondensatoren sowie Aluminium-Elkos werden generell nicht empfohlen, da ihr ESR deutlich höher ist als der von Keramik-Kondensatoren. Für die meisten Anwendungen ist die Verwendung von Keramik-Kondensatoren mit der Temperaturcharakteristik X7R oder X5R anzuraten. Diese weisen eine geringe Kapazitätstoleranz von ±10 % auf und behalten damit ihren Wert über den Temperaturbereich (X7R: ±15 % von –55 bis +125 °C; X5R: ±15 % von –55 bis +85 °C).

Kondensatoren mit der Temperaturcharakteristik Y5V oder Z5U sind für den Einsatz in Ladungspumpen-Anwendungen generell nicht zu empfehlen. Diese Bauarten sind in der Regel durch eine große Kapazitätstoleranz (80 bis 20 %) gekennzeichnet und weisen über den Temperaturbereich erhebliche Schwankungen auf (Y5V: +22 % bis –82 % von –30 bis +85 °C; Z5U: +22 % bis +56 % von +10 bis +85 °C). Unter bestimmten Bedingungen kann ein Y5V- oder Z5U-Kondensator mit einer Nennkapazität von 1 µF eine Kapazität von nur 0,1 µF besitzen. Angesichts derart großer Abweichungen ist es wahrscheinlich, dass Y5V- und Z5U-Kondensatoren nicht die von der Ladungspumpe geforderte Mindestkapazität erreichen.

Die Nettokapazität eines Keramik-Kondensators wird umso geringer, je höher die angelegte Gleichspannung ist. Dies kann dazu führen, dass die Kapazität am Eingang oder Ausgang geringer ist als erwartet, sodass die Welligkeit der Spannung und des Stroms zunimmt. Setzt man Kondensatoren bei DC-Vorspannungen ein, die deutlich unter der Nennspannung des Kondensators liegen, treten meist nur minimale DC-Bias-Effekte auf. Es ist wichtig, die Kondensatorhersteller hinsichtlich der DC-Bias-Eigenschaften ihrer Produkte zu konsultieren. Die Kapazitäts-Charakteristika können sich je nach Einsatzbedingungen, Kondensatortyp und Kondensatorhersteller dramatisch unterscheiden. Die Nennspannung aller verwendeten Kondensatoren sollte größer sein als die maximale Ein- und Ausgangsspannung der Applikation. Als Schaltkondensatoren sollten außerdem Bauelemente verwendet werden, deren Nennspannung größer oder gleich der maximal zulässigen Ein- und Ausgangsspannung ist.

Mögliche Auswirkungen passiver Komponenten

Passive Bauelemente können sich auf die Ladungspumpen-Applikation auswirken.

Der Eingangskondensator C_Ein fungiert als Ladungsreservoir und unterstützt den schnellen Ladungstransfer von der Eingangsquelle zum Schaltkondensator während der Ladephase. Er hilft bei der Vermeidung eingangsseitiger Spannungseinbrüche, wenn der Schaltkondensator zu Beginn der Ladephase mit dem Eingang verbunden wird. Darüber hinaus filtert er Störungen am Eingang aus und hält diese Störungen damit von den empfindlichen analogen Schaltungen fern, die von der Eingangsspannung gespeist werden. Die Höhe der Eingangskapazität hat unmittelbare Auswirkungen auf die Höhe der Eingangswelligkeit: ein Anheben der Eingangskapazität macht die Welligkeit der Eingangsspannung proportional geringer.

Der Ausgangskondensator C_Aus der Ladungspumpenschaltung wirkt sich direkt auf die Welligkeit der Ausgangsspannung aus.

Weitere Einflussfaktoren sind der Schaltstrom, der Ausgangsstrom und die Kapazität des fliegenden Kondensators C_FLY. Hier gilt die allgemeine Aussage, dass ein Vergrößern bzw. Verringern der Ausgangskapazität zu einer proportionalen Abnahme bzw. Zunahme der Ausgangsspannungs-Welligkeit führt.

Näherungsweise bestimmen lässt sich die Ausgangswelligkeit (Ripple), indem man einfach die Höhe des Spannungseinbruchs berechnet, zu dem es kommt, wenn der Ausgang der Ladungspumpe nicht angesteuert wird. Dies ist während der Ladephase (Phase 1) der Fall. Während dieser Zeit wird die Last ausschließlich von der im Ausgangskondensator befindlichen Ladung gespeist. Die Höhe der Welligkeit berechnet sich somit gemäß der Entladegleichung für einen Kondensator (I = C ∙ dV/dt), wobei die Entladezeit der Hälfte der Schaltperiode entspricht (0,5/f_SW).

Welligkeit_Peak-to-Peak = I_Aus/C_Aus ∙ 0,5/f_SW

Nimmt man beispielsweise die Kenndaten des LM2776, dessen Schaltfrequenz 2 MHz beträgt und für den eine Ausgangskapazität von 2,2 µF empfohlen wird, und setzt einen Ausgangsstrom von 100 mA an, so ergibt sich am Ausgang der Ladungspumpe eine Welligkeit von 11 mV (Peak to Peak).

In einer Ladungspumpe dienen die Schaltkondensatoren zum Ladungstransfer vom Eingang zum Ausgang. Ihre Kapazität kann sich auf den möglichen Ausgangsstrom und die Welligkeit auswirken. Ist die fliegende Kapazität zu gering, ist die Ladungspumpe möglicherweise nicht in der Lage, die Regelung der Ausgangsspannung bei hohen Lastströmen aufrecht zu erhalten. Ist die fliegende Kapazität dagegen zu groß, kann sie unter Umständen die Eingangs- und Ausgangskondensatoren überfordern, was die Welligkeit am Eingang und Ausgang ansteigen lässt.

Grundregeln für das Layout

Entscheidende Vorteile der Ladungspumpen-Gleichspannungswandler sind die einfache Anwendung und die unkomplizierte Implementierung des Designs verglichen mit einer induktiven Lösung. Dies schließt die prinzipbedingte Stabilität der Bausteine ebenso ein wie das Layout und die Platzierung der Bauelemente. Die folgenden wichtigen Aspekte sollten beachtet werden, wenn in einem Design eine Ladungspumpe verwendet wird:

Die Kondensatoren sollten möglichst nah an der Ladungspumpe platziert werden (möglichst auf derselben Leiterplattenseite).
Die externen Kondensatoren sollten mit möglichst kurzen und breiten Leiterbahnen an die Ladungspumpe angeschlossen werden, um die Induktivität und den Widerstand der Leiterbahnen zu minimieren.
Eine möglichst niederohmige Leitung sollte die Masse mit dem GND-Pin des Ladungspumpen-Bausteins verbinden. Am vorteilhaftesten ist es, GND mit breiten Leiterbahnen und/oder mehreren Vias mit einer Massefläche zu verbinden.

Es gibt Fälle, in denen Ladungspumpen Vorteile gegenüber einem induktiven Wandler oder einem LDO bieten. Verglichen mit einem magnetischen Gleichspannungswandler kann die Leiterplatte eines Ladungspumpen-Wandlers oft kleiner und flacher ausgeführt werden, denn anstelle der Induktivität sind nur wenige kleine und flache Kondensatoren erforderlich. In Anwendungen mit konstanter Eingangsspannung erreichen Ladungspumpen-Wandler mit fest eingestellter Verstärkung Wirkungsgrade, die nahezu auf dem Niveau von induktiven Wandlern liegen. Bei veränderlicher Eingangsspannung, z.B. in batteriebetriebenen Applikationen, kommt ein Ladungspumpen-Wandler mit mehreren Verstärkungsfaktoren in Frage, der über seinen Betriebsbereich einen respektablen Wirkungsgrad bietet. Der geringe Platzbedarf, das einfache Design, die Kosteneffektivität und der angemessene Umwandlungs-Wirkungsgrad können für den Einsatz von Ladungspumpen-Gleichspannungswandler in Anwendungen sprechen, in denen eine Boost- oder Buck-Lösung oder ein Spannungsumrichter geringer Leistung benötigt wird.

Literatur

Produktdatenblätter: LM2775, LM2757, LM2663, LM2665, LM8850, LM2776, LM2771, LM2772
Parametrische Auswahltabelle für Ladungspumpen

Der Autor:

Greg Lubarsky
ist als Systems Engineer im Bereich „Silicon Valley Analog, Mobile Lighting and Power” bei Texas Instruments tätig. Seinen Bachelor of Science in Elektrotechnik erhielt er im Jahr 2002 von der University of California, Davis. Greg hat über 13 Jahre Erfahrung im Bereich Power Management, u.a. in der Definition von Ladungspumpen-Stromrichtern, weißen LED-Backlight- und LED-Flash-Treibern.