Rechner für den Spannungsvervielfacher der Ladungspumpe
Berechnen Sie die Ausgangsspannung, die Ladespannung, die Ausgangswelligkeit und den Wirkungsgrad der Dickson-Ladepumpe für Schaltungen mit geschaltetem Kondensator zur Spannungsvervielfachung
Formel
Wie es funktioniert
Der Spannungsrechner der Ladungspumpe bestimmt die Ausgangsspannung, die Strombelastbarkeit und den Wirkungsgrad für die kapazitive DC/DC-Wandlung — unverzichtbar für Gate-Treiber, RS-232-Schnittstellen, Flash-Speicherprogrammierung und Boost-Anwendungen mit geringem Stromverbrauch. Entwickler analoger ICS, Entwickler tragbarer Geräte und Mixed-Signal-Entwickler verwenden dieses Tool, um eine Spannungsvervielfachung ohne magnetische Komponenten zu erreichen. Gemäß dem TI-Anwendungshinweis SLVA517 übertragen Ladungspumpen Energie, indem sie in einer Phase einen fliegenden Kondensator auf Vin laden und ihn in der zweiten Phase in Reihe mit Vin stapeln, sodass im Idealfall Vout = N × Vin für einen N×-Multiplikator entsteht. Die Ladungspumpentopologie wird in der Publikation „Fundamentals of Power Electronics“ von Erickson & Maksimovic (3. Aufl.) eingehend analysiert Kapitel 5 (Diskontinuierlicher Leitungsmodus) und das 'Linear Circuit Design Handbook' (2008) von Analog Devices, Kapitel 4. In der Praxis sinkt die Ausgangsspannung aufgrund des Schaltwiderstands und des Kondensator-ESR: Vout = N×Vin — Iout× (N×Rsw + N²×ESR/FSW). Gemäß dem Anwendungshinweis AN-725 von Maxim Integrated erreichen ungeregelte Ladungspumpen bei optimaler Last einen Wirkungsgrad von 80-90%, bei geringer Last sinkt er auf 50-60%. Geregelte Ladungspumpen (TI LM2776) behalten durch Anpassung der Schaltfrequenz einen Wirkungsgrad von 85% im Lastbereich von 1 bis 100 mA bei. Der maximale Ausgangsstrom hängt vom Wert des fliegenden Kondensators ab: IOUT_max ≈ C × fsw × Vin für Spannungsverdoppler, weshalb für eine höhere Strombelastbarkeit eine höhere Kapazität oder Frequenz erforderlich ist.
Bearbeitetes Beispiel
Entwerfen Sie einen Spannungsverdoppler für den MOSFET-Gate-Antrieb aus einer 5-V-Logikversorgung. Anforderungen: 10-V-Ausgang, 50 mA Spitzenstrom, <100 mV Welligkeit. Schritt 1: Multiplikation verifizieren — Verdoppler: VOUT_ideal = 2 × 5 V = 10 V. Schritt 2: Berechnung des fliegenden Kondensators — Für Iout = 50 mA bei 200 kHz-Umschaltung: Cfly = Iout/ (fsw × ΔV) = 50m/ (200k × 0,1) = mindestens 2,5 µF. Verwenden Sie 4,7 µF X5R-Keramik. Schritt 3: Schätzung des Spannungsabfalls — Gehen Sie von Rsw = 3 Ω aus (typisch TI TPS60403): Vdrop = 50 m × (2×3 + 2²×10 m/200k) = 300 mV. Vout = 10 — 0,3 = 9,7 V. Schritt 4: Wählen Sie den Ausgangskonzentrator — Cout = Iout/ (fsw × ΔCripple) = 50 m/ (200 m × 0,1) = 2,5 µF. Verwenden Sie 10 µF als Rand. Schritt 5: Überprüfen Sie den Wirkungsgrad — ω = Vout/ (2×Vin) = 9,7/10 = 97% ohne Last, fällt bei 50 mA auf 85-90%. Schritt 6: Wählen Sie IC — TI LM2775 (Doubler, 150 mA, 95% Spitzenwirkungsgrad) mit integriertem Softstart und thermischer Abschaltung.
Praktische Tipps
- ✓Verwenden Sie gemäß dem Anwendungshinweis AN-88 von Linear Technology (jetzt ADI) geregelte Ladungspumpen für geräuschempfindliche Anwendungen — ungeregelte Pumpen erzeugen eine Welligkeit von 20-50 mV, die in benachbarte analoge Schaltungen eingekoppelt wird
- ✓Fügen Sie dem Ausgang einen kleinen Serienwiderstand (1—10 Ω) hinzu, um das Einschwingverhalten zu verbessern und die LC-Resonanz zwischen Ausgangskondensator ESL und Lastkapazität zu dämpfen
- ✓Verwenden Sie zur Erzeugung negativer Spannungen eine invertierende Ladungspumpentopologie (Maxim MAX1044) — erreicht Vout = -Vin mit dem gleichen Wirkungsgrad wie positive Verdoppler
Häufige Fehler
- ✗Verwendung von Elektrolytkondensatoren — ESR von 100-500 mΩ verursacht einen 10-mal höheren Spannungsabfall als Keramik; Ladungspumpen benötigen X5R/X7R-Keramiken mit niedrigem ESR (5-20 mΩ) für Nennleistung
- ✗Ignorieren der Leistungsreduzierung durch den Kondensator — 10 µF/10 V X5R bei 9 V DC behält nur 20-30% der Kapazität bei; verwenden Sie entweder einen Kondensator mit einer Nennleistung von 16 V oder einen dreimal größeren Nennwert
- ✗Überschreitung des Nennstroms — Die Ausgangsimpedanz der Ladungspumpe beträgt ~1/ (fsw × C); bei 200 kHz mit 1 µF ist Zout = 5 Ω, was zu einem Abfall von 500 mV bei 100 mA führt
Häufig gestellte Fragen
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