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Power

チャージポンプ電圧マルチプライヤー計算ツール

スイッチトキャパシタ電圧マルチプライヤ回路のディクソンチャージポンプ出力電圧、負荷電圧、出力リップル、および効率の計算

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公式

Voc=Vin×(N+1),Vout=VocN×Iout/(f×C)V_oc = V_in × (N+1), V_out = V_oc − N × I_out / (f × C)
V_in入力電圧 (V)
Nステージ数
I_out出力電流 (A)
fスイッチング周波数 (Hz)
Cポンプキャパシタンス (F)

仕組み

チャージポンプ電圧カリキュレータは、ゲートドライバ、RS-232インタフェース、フラッシュメモリプログラミング、および低電力ブーストアプリケーションに不可欠な容量性DC-DC変換の出力電圧、電流容量、および効率を決定します。アナログIC設計者、ポータブル・デバイス・エンジニア、ミックスド・シグナル開発者は、このツールを使用して、磁気部品なしで電圧の乗算を実現しています。TIのアプリケーションノートSLVA517によると、チャージポンプは、ある相ではフライングコンデンサをVinに充電し、第2相ではそれをVinと直列に積み重ねることによってエネルギーを伝達します。理想的には、N×乗算器のVout = N × Vinを生成します。チャージポンプのトポロジーは、エリクソンとマクシモビッチの「パワーエレクトロニクスの基礎」(第3版)で詳細に分析されています。第5章 (不連続伝導モード) およびアナログ・デバイセズの「リニア回路設計ハンドブック」(2008) 第4章スイッチ抵抗とコンデンサによる実際の出力電圧降下 (ESR): Vout = N×Vin-Iout× (N×Rsw + N²×ESR/fSW)。マキシム・インテグレーテッドのアプリケーションノートAN-725によると、非安定化チャージポンプは最適な負荷で80~ 90% の効率を達成し、軽負荷では 50~ 60% に低下します。安定化チャージポンプ (TI LM2776) は、スイッチング周波数を調整することにより、1~100 mAの負荷範囲で 85% の効率を維持します。最大出力電流はフライング・コンデンサの値によって決まります。電圧ダブラーの場合はiout_max≈C × fsw × Vinなので、電流容量を増やすにはより高い容量または周波数が必要になります。

計算例

5 V ロジック電源から MOSFET ゲートを駆動するための電圧ダブラーを設計します。要件:10 V 出力、50 mA ピーク電流、100 mV 未満のリップル。ステップ1: 乗算の検証 — ダブラー:VOUT_Ideal = 2 × 5 V = 10 V. ステップ 2: フライング・コンデンサの計算 — 200 kHz のスイッチングで Iout = 50 mA の場合:Cfly = Iout/ (fsw × ΔV) = 50m/ (200k × 0.1) = 2.5 µF 最小値4.7 µF X5R セラミックを使用してください。ステップ 3: 電圧降下の推定 — Rsw = 3 Ω (標準的な TPS60403) と仮定します:Vdrop = 50m × (2×3 + 2²×10m/200k) = 300 mVVout = 10-0.3 = 9.7 V. ステップ 4: 出力コンデンサの選択 — Cout = Iout/ (fsw × ΔVリップル) = 50m/ (200k × 0.1) = 2.5 µF。マージンには 10 µF を使用してください。ステップ 5: 無負荷時の効率 — δ = Vout/ (2×Vin) = 9.7/10 = 97%、50 mAで85~ 90% に低下することを確認します。ステップ6: ICの選択 — TI LM2775 (ダブラー、150 mA、95% ピーク効率)、ソフトスタートとサーマルシャットダウンを内蔵しています。

実践的なヒント

  • リニアテクノロジー(現ADI)のアプリケーションノートAN-88によると、ノイズに敏感なアプリケーションには安定化されたチャージポンプを使用してください。安定化されていないポンプは20〜50mVのリップルを生成し、隣接するアナログ回路に結合します
  • 出力に小さな直列抵抗 (1~10 Ω) を追加すると、過渡応答が改善され、出力コンデンサのESLと負荷容量の間のLC共振が減衰します。
  • 負電圧の生成には、反転チャージポンプトポロジー (マキシムのMAX1044) を使用してください。正のダブラーと同じ効率でVout =-Vinを実現

よくある間違い

  • 電解コンデンサの使用 — ESRが100~500mΩの場合、セラミックの10倍の電圧降下が発生します。チャージポンプの定格性能を得るには、低ESR(5〜20mΩ)のX5R/X7Rセラミックが必要です
  • コンデンサのDCバイアスディレーティングを無視すると、9V DCで10µF/10V X5Rで保持される静電容量はわずか20〜30%です。16V定格のコンデンサを使用するか、公称値の3倍大きいコンデンサを使用してください
  • 出力電流定格を超える—チャージポンプの出力インピーダンスは約1/(fsw × C)です。200kHzで1µFの場合、Zout = 5Ω、100mAで500mV降下します

よくある質問

TI SLVA517によると、チャージポンプはコンデンサとスイッチを使用して個別のパケットで電荷を転送し、インダクタなしで電圧の乗算または反転を実現します。フェーズ1では、フライング・コンデンサがVinに充電されます。フェーズ2では、加算 (ダブラ)、減算 (インバータ)、または直列スタック (トリプラー/クワッドプラー) に再構成されます。利点:磁気EMIがなく、サイズが小さく、コストが低い。デメリット:電流が限られ (通常は500mA未満)、Vout/Vin比が高いと効率が低下します。
マキシムのAN-725によると、非安定化ダブラ:負荷インピーダンスが一致したときのピーク効率は80~ 90%、Vout≈2×Vin-I×Rswです。安定化チャージポンプ:PFM または PWM レギュレーションを使用した場合、85~ 95%フラクショナルコンバータ (3/2×、2/3×): スイッチのストレスが少ないため、90~ 95% の効率が得られます。インバーター (-1×):2 回の電荷転送サイクルにより 75~ 85%出力電圧が理想的な比率と大きく異なると、効率は急速に低下します。
主なアプリケーション:(1) ゲートドライバ — MOSFET Vgs用5Vから12Vブートストラップ、(2) RS-232トランシーバ — MAX232ファミリ用3.3Vから±12V、(3) フラッシュ/EEPROMプログラミング — 3.3Vから12〜20V (書き込み動作用)、(4) LCDバイアス — ディスプレイコントラスト用の負電圧、(5) 白色LEDドライバ — 3.7Vリチウムイオンを4.4に昇圧 5 V(4 シリーズの LED の場合)年間市場:5億ドル以上。ICインサイトによると、IoT/ウェアラブルデバイスのCAGRは 15%
IOUT_MAX = Cfly × fsw×ΔV。ここで ΔV はフライング・コンデンサの電圧低下の許容値です。1 MHz で 10 µF、0.5 V サグの場合、IOUT_MAX = 10µx 1M × 0.5 = 5 A (理論上) となります。実際的な制限:スイッチの定格電流 (通常は 100~500 mA)、パッケージの温度制限。高電流チャージポンプ (TI TPS60150、400mA) では、複数の段を並列に接続するか、またはより大きなスイッチを使用します。
TI SLVA517によると、(1) 出力容量を増やす — Coutを2倍にするとリップルが半分になる、(2) スイッチング周波数を上げる — fswを2倍にするとリップルが半分になる (ドライバの損失によって制限される)、(3) 安定化トポロジを使用する — PFMは可変周波数で一定の出力を維持する、(4) ポストレギュレータを追加 — フェライトビーズ+コンデンサにより20dBのフィルタリングが追加される。ターゲットリップル:デジタルロジックでは50mV未満、アナログ/RF負荷では10mV未満。

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