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Calculadora do multiplicador de tensão da bomba de carga

Calcule a tensão de saída da bomba de carga Dickson, a tensão carregada, a ondulação de saída e a eficiência para circuitos multiplicadores de tensão com capacitor comutado

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Fórmula

Voc=Vin×(N+1),Vout=Voc−N×Iout/(f×C)V_oc = V_in × (N+1), V_out = V_oc − N × I_out / (f × C)
V_in— Tensão de entrada (V)
N— Número de estágios
I_out— Corrente de saída (A)
f— frequência de comutação (Hz)
C— Capacitância da bomba (F)

Como Funciona

A calculadora de tensão da bomba de carga determina a tensão de saída, a capacidade de corrente e a eficiência para conversão DC-DC capacitiva — essencial para acionadores de porta, interfaces RS-232, programação de memória flash e aplicações de aumento de baixa potência. Projetistas de IC analógico, engenheiros de dispositivos portáteis e desenvolvedores de sinais mistos usam essa ferramenta para obter a multiplicação de tensão sem componentes magnéticos. De acordo com a nota de aplicação SLVA517 da TI, as bombas de carga transferem energia carregando um capacitor voador para Vin durante uma fase e empilhando-o em série com Vin durante a segunda fase, produzindo idealmente Vout = N × Vin para um multiplicador N ×. A topologia da bomba de carga é analisada em detalhes em “Fundamentos da Eletrônica de Potência” de Erickson e Maksimovic (3ª ed.) Capítulo 5 (Modo de condução descontínua) e o 'Manual de projeto de circuitos lineares' de dispositivos analógicos (2008) Capítulo 4. Quedas de tensão de saída no mundo real devido à resistência do interruptor e ao capacitor ESR: Vout = N×Vin - Iout× (N×Rsw + N²×ESR/FSW). De acordo com a nota de aplicação da Maxim Integrated AN-725, as bombas de carga não reguladas alcançam 80 a 90% de eficiência na carga ideal, caindo para 50 a 60% em cargas leves. As bombas de carga regulada (TI LM2776) mantêm 85% de eficiência em toda a faixa de carga de 1-100 mA ajustando a frequência de comutação. A corrente máxima de saída depende do valor do capacitor voador: iOut_max ≈ C × fsw × Vin para duplicadores de tensão, tornando necessária maior capacitância ou frequência para aumentar a capacidade de corrente.

Exemplo Resolvido

Projete um dobrador de tensão para o acionamento de porta MOSFET a partir de uma fonte lógica de 5 V. Requisitos: saída de 10 V, corrente de pico de 50 mA, ondulação de <100 mV. Etapa 1: Verificar a multiplicação — Duplicador: Vout_ideal = 2 × 5 V = 10 V. Etapa 2: Calcular o capacitor voador — Para Iout = 50 mA com comutação de 200 kHz: Cfly = Iout/ (fsw × ΔV) = 50m/ (200k × 0,1) = mínimo de 2,5 µF. Use cerâmica X5R de 4,7 µF. Etapa 3: Estimar a queda de tensão — Suponha que Rsw = 3 Ω (típico TI TPS60403): Vdrop = 50m × (2 × 3 + 2²×10m/200k) = 300 mV. Vout = 10 - 0,3 = 9,7 V. Etapa 4: Selecione o capacitor de saída — Cout = Iout/ (fsw × ΔVripple) = 50m/ (200k × 0,1) = 2,5 µF. Use 10 µF como margem. Etapa 5: Verifique a eficiência — τ = Vout/ (2 × Vin) = 9,7/10 = 97% sem carga, caindo para 85-90% a 50 mA. Etapa 6: Selecione IC — TI LM2775 (duplicador, 150 mA, 95% de eficiência de pico) com partida suave e desligamento térmico integrados.

Dicas Práticas

  • ✓De acordo com a nota de aplicação AN-88 da Linear Technology (agora ADI), use bombas de carga reguladas para aplicações sensíveis ao ruído — bombas não reguladas geram uma ondulação de 20-50 mV que se acopla aos circuitos analógicos adjacentes
  • ✓Adicione resistência em pequenas séries (1-10 Ω) na saída para melhorar a resposta transitória e amortecer a ressonância LC entre o capacitor de saída ESL e a capacitância de carga
  • ✓Para geração de tensão negativa, use a topologia de bomba de carga inversora (Maxim MAX1044) — atinge Vout = -Vin com a mesma eficiência que os duplicadores positivos

Erros Comuns

  • ✗Usando capacitores eletrolíticos — ESR de 100-500 mΩ causa queda de tensão 10 vezes maior do que a cerâmica; as bombas de carga requerem cerâmicas X5R/X7R de baixa ESR (5-20 mΩ) para desempenho nominal
  • ✗Ignorando a redução de polarização DC do capacitor — 10 µF/10V X5R a 9 V DC retém apenas 20-30% da capacitância; use um capacitor nominal de 16 V ou um valor nominal 3 vezes maior
  • ✗Excedendo a corrente nominal de saída — a impedância de saída da bomba de carga é de ~ 1/ (fsw × C); a 200 kHz com 1 µF, Zout = 5 Ω, causando queda de 500 mV a 100 mA

Perguntas Frequentes

De acordo com a TI SLVA517, uma bomba de carga usa capacitores e comutadores para transferir carga em pacotes discretos, alcançando multiplicação ou inversão de tensão sem indutores. Durante a fase 1, o capacitor voador é carregado para Vin; durante a fase 2, ele é reconfigurado para adicionar (duplicador), subtrair (inversor) ou empilhar em série (triplor/quádruplo). Vantagens: sem EMI magnético, tamanho compacto, baixo custo. Desvantagens: corrente limitada (normalmente <500 mA), queda de eficiência em altas relações Vout/Vin.
De acordo com Maxim AN-725: Duplicadores não regulamentados: 80-90% de eficiência de pico na impedância de carga correspondente, Vout ≈ 2 × Vin - I × Rsw. Bombas de carga reguladas: 85-95% usando regulação PFM ou PWM. Conversores fracionários (3/2 ×, 2/3 ×): eficiência de 90-95% devido à menor tensão do interruptor. Inversores (-1 ×): 75-85% devido a dois ciclos de transferência de carga. A eficiência se degrada rapidamente quando a tensão de saída difere significativamente da proporção ideal.
Aplicações primárias: (1) Drivers de porta — bootstrap de 12 V a partir de 5 V para MOSFET Vgs, (2) transceptores RS-232 — ± 12 V de 3,3 V para a família MAX232, (3) programação de flash/EEPROM — 12-20 V de 3,3 V para operações de gravação, (4) polarização de LCD — tensão negativa para contraste da tela, (5) Drivers de LED brancos — aumentam 3,7 V de íon de lítio para 4,5 V para LEDs da série 4. Mercado anual: > $500 milhões, com 15% de CAGR em IoT/wearables de acordo com a IC Insights.
iOut_max = Cfly × fsw × ΔV, onde ΔV é uma queda de tensão aceitável do capacitor voador. Para 10 µF a 1 MHz com queda de 0,5 V: iOut_max = 10μ × 1M × 0,5 = 5 A teórico. Limites práticos: classificação de corrente do interruptor (normalmente 100-500 mA), limites térmicos do pacote. As bombas de carga de alta corrente (TI TPS60150, 400 mA) usam vários estágios paralelos ou interruptores maiores.
De acordo com TI SLVA517: (1) Aumente a capacitância de saída - dobrando a ondulação pela metade, (2) Aumente a frequência de comutação - dobrando algumas metades da ondulação (limitada pelas perdas do driver), (3) Use topologia regulada - o PFM mantém a saída constante com frequência variável, (4) Adicione pós-regulador - talão de ferrite+capacitor fornece filtragem adicional de 20 dB. Ondulação alvo: <50 mV para lógica digital, <10 mV para cargas analógicas/de RF.

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