Зарядовый насос представляет собой импульсный преобразователь напряжения, в котором энергия переносится исключительно конденсаторами и ключами, без единой индуктивности. Такой подход исторически появился там, где магнитные компоненты были нежелательны: на кристалле микросхемы, в миниатюрных корпусах, в узлах, чувствительных к магнитным полям рассеяния. Принцип удивительно прост. Конденсатор сначала подключается к источнику и заряжается до его напряжения, затем ключи перебрасывают его в другую точку схемы, где этот заряд складывается с уже имеющимся потенциалом или вычитается из него. Повторяя этот цикл десятки тысяч раз в секунду, схема "перекачивает" заряд маленькими порциями, словно черпаком, отсюда и метафора насоса. Результатом становится удвоенное, утроенное или инвертированное напряжение, полученное без трансформаторов и дросселей, с КПД, способным превысить девяносто процентов при удвоении, и с уровнем интеграции, недостижимым для индуктивных преобразователей.
Принцип летающего конденсатора и двухфазный цикл перекачки заряда
Сердце любого зарядового насоса - так называемый летающий конденсатор, который не имеет постоянной привязки ни к земле, ни к шине питания. Его обкладки в каждый момент времени подключены к схеме через группу ключей, обычно выполненных на полевых транзисторах, и эти ключи работают в противофазе, разбивая период на две чёткие фазы. В первой фазе, фазе заряда, конденсатор оказывается включённым между входной шиной и землёй и заряжается почти до напряжения питания, если пренебречь падением на открытых ключах. Во второй фазе, фазе переключения, нижняя обкладка отсоединяется от земли и подключается к положительной шине, а верхняя обкладка через ещё один ключ соединяется с выходным накопительным конденсатором. Поскольку заряженный конденсатор сохраняет разность потенциалов между обкладками, потенциал его верхней обкладки в этот момент подскакивает до удвоенного питания, и заряд перетекает в выходной конденсатор, поднимая его напряжение выше входного.
Ключевой момент, который часто упускают, состоит в том, что напряжение на конденсаторе не может измениться мгновенно, зато мгновенно изменяется потенциал точки, к которой привязана его нижняя обкладка. Именно это свойство и делает возможным умножение: схема не создаёт энергию из ничего, она поднимает заряженный резервуар на более высокую ступень потенциала, как механический подъёмник поднимает ведро с водой. Ток в фазе переключения течёт короткими импульсами, ограниченными эквивалентным сопротивлением ключей и эквивалентным последовательным сопротивлением самого конденсатора, поэтому качество используемых керамических или танталовых конденсаторов напрямую влияет на просадку и пульсации. Частота переключения в современных интегральных насосах лежит в диапазоне от десятков килогерц до нескольких мегагерц, что позволяет применять миниатюрные керамические конденсаторы емкостью от сотен нанофарад до единиц микрофарад.
Важно понимать, что перенос заряда через конденсатор принципиально диссипативен: при перераспределении заряда между конденсаторами с разными напряжениями часть энергии неизбежно превращается в тепло на сопротивлениях в цепи. Именно поэтому идеальный КПД насоса с топологией удвоителя не может превышать значения, определяемого отношением выходного напряжения к удвоенному входному, и при точном удвоении он стремится к ста процентам лишь в пределе нулевого тока нагрузки. Однако на практике, когда выходное напряжение близко к удвоенному входному, а ключи имеют малые сопротивления, реальный КПД превышает девяносто процентов, что для многих применений вполне конкурентоспособно с индуктивными преобразователями.
Схема Диксона и каскадирование ступеней умножения
Классической дискретной реализацией зарядового насоса стала схема Диксона, в которой ключи заменены диодами, а фазы переключения формирует генератор прямоугольных импульсов. В простейшем удвоителе Диксона используются два диода, один летающий конденсатор и один накопительный конденсатор на выходе. Когда выход генератора находится на низком уровне, летающий конденсатор заряжается через первый диод до напряжения питания за вычетом прямого падения на диоде. Когда генератор перебрасывает свой выход на высокий уровень, нижняя обкладка летающего конденсатора поднимается вместе с ним, и верхняя обкладка оказывается на потенциале около удвоенного питания, после чего второй диод открывается и передаёт порцию заряда в выходной конденсатор. Каждый диод вносит падение порядка нуля и семи десятых вольта для кремниевого прибора или двух-трёх десятых для диода Шоттки, поэтому реальный удвоитель на обычных диодах даёт заметно меньше удвоенного напряжения, и именно поэтому в маломощных схемах предпочитают диоды Шоттки или синхронные ключи на полевых транзисторах.
Достоинство схемы Диксона в её масштабируемости. Каскады можно соединять последовательно, образуя цепочку, где каждая ступень добавляет ещё одну порцию напряжения питания. Утроитель получается добавлением второй пары диодов и второго летающего конденсатора, учетверитель - третьей пары, и так далее. Такие многокаскадные цепочки известны ещё по схеме Кокрофта-Уолтона, разработанной для ускорителей частиц, и по сей день применяются в умножителях напряжения для электретных микрофонов, ионизаторов воздуха, высоковольтных источников фотоумножителей и пьезоэлектрических приводов. Работают они и от переменного напряжения без отдельного генератора: в этом случае противофазные полуволны сетевого или трансформаторного напряжения сами поочерёдно заряжают летающие конденсаторы и перекидывают их в стек.
Однако каскадирование облагается налогом. Каждая ступень добавляет своё выходное сопротивление и свои потери на диодах, поэтому просадка под нагрузкой растёт не линейно, а почти квадратично от числа ступеней, поскольку заряд, передаваемый на выход, должен пройти через все промежуточные конденсаторы цепочки. На практике дискретные умножители редко строят более чем на четыре-шесть каскадов, дальше выгоднее переходить на трансформаторный преобразователь с последующим выпрямлением. Внутри микросхем, где ключи имеют единицы ом и паразитные падения малы, каскадов также ограничивают разумным числом, потому что утечки подложки и паразитные ёмкости съедают выигрыш.
Инверсия напряжения и микросхема ICL7660
Помимо умножения, та же двухфазная идея даёт инверсию полярности. Если в фазе переключения летающий конденсатор, заряженный до напряжения питания, подключить верхней обкладкой к земле, а нижней - к выходному конденсатору, то выход окажется заряженным отрицательно относительно земли. Эта топология легла в основу легендарной микросхемы ICL7660, выпущенной в конце семидесятых годов и до сих пор производимой множеством фирм в вариантах с улучшенными параметрами. Микросхема содержит внутренний генератор на частоту около десяти килогерц, четыре ключа на КМОП-транзисторах и логику противофазного управления, а от разработчика требуются всего два внешних конденсатора по десять микрофарад. На выходе без нагрузки получается напряжение, почти равное входному по модулю, но с обратным знаком, что позволяет питать операционные усилители двуполярным питанием от одной батареи или одного стабилизатора.
Характерная особенность ICL7660 - заметное выходное сопротивление порядка пятидесяти-ста ом в ранних версиях, из-за чего при токе нагрузки в десять миллиампер выходное напряжение проседает примерно на полвольта-вольт. Последующие клоны и модернизированные версии, например линейки с повышенной частотой переключения и пониженным сопротивлением ключей, довели выходное сопротивление до единиц ом и токи до сотен миллиампер, а также добавили режимы удвоения и умножения с коэффициентом полтора. Инженерная культура применения этих микросхем включает обязательную проверку просадки при максимальном токе, выбор конденсаторов с малым эквивалентным последовательным сопротивлением и, при необходимости, параллельное включение нескольких насосов, хотя последнее требует синхронизации или развязки, чтобы избежать биений и перекрёстных токов между каскадами.
Инвертор на зарядовом насосе не является стабилизатором: выходное напряжение жёстко привязано к входному и плавает вместе с ним. В микросхемах семейства с регулировкой, например в маломощных регулируемых насосах с обратной связью, после накачки ставят линейный стабилизатор с малым падением или модулируют скважность ключей, жертвуя частью КПД ради стабильности выхода. Такой гибрид сохраняет компактность решения и при этом даёт чистое регулируемое отрицательное питание для аналоговых узлов, цепей смещения усилителей и драйверов дисплеев.
Применение в драйверах RS-232 и микросхеме MAX232
Наиболее массовое в истории применение зарядовых насосов связано с интерфейсом RS-232. Стандарт требует уровней сигнала не ниже плюс-минус пять вольт, а на практике драйверы выдают плюс-минус семь-двенадцать вольт, тогда как цифровая часть устройства питается от одного напряжения пять вольт или три и три десятых вольта. Микросхема MAX232, появившаяся в восьмидесятых, решила эту задачу элегантно: внутри неё разместили два зарядовых насоса. Первый удваивает пять вольт примерно до десяти, второй инвертирует удвоенное напряжение и формирует минус десять вольт. Под нагрузкой линии эти напряжения проседают, и на выходе передатчиков реально наблюдается порядка плюс-минус девять вольт, что с запасом укладывается в требования стандарта.
Схема потребляет миллиамперы от пятивольтовой шины, а для работы нужны всего четыре внешних конденсатора по одной микрофараде (в ранней версии - по десять), два из которых летающие, два - накопительные на шинах позитивного и негативного питания. Именно эта простота сделала MAX232 стандартом де-факто на десятилетия: любой микроконтроллер с UART мог общаться с компьютером через COM-порт, не требуя отдельного двуполярного источника питания. Позже появились версии на три и три десятых вольта с внутренними насосами, способные поднять удвоенное напряжение из питания всего в три вольта, а также варианты с малым током покоя для батарейных приборов, где насос периодически отключается, когда линия простаивает.
С инженерной точки зрения пример MAX232 показателен тем, как ограничения зарядовых насосов обходятся грамотным системным дизайном. Ток, требуемый линией RS-232, мал - передатчик работает на нагрузку от трёх до семи килоом, поэтому просадка насосов при такой нагрузке невелика, а пульсации на конденсаторах фильтруются ёмкостью в одну микрофараду до приемлемого уровня, не влияющего на форму сигнала. Если бы потребовался больший ток, насос пришлось бы строить на внешних ключах или заменять индуктивным преобразователем, что разрушило бы всю компактность решения.
Внутренние накачки во флэш-памяти и драйверах затворов
Менее заметные, но не менее важные зарядовые насосы трудятся внутри микросхем флэш-памяти. Запись и стирание ячеек NAND и NOR требуют напряжений порядка десяти-двадцати вольт для туннелирования электронов через тонкий оксид, тогда как внешнее питание чипа составляет один и восемь десятых - три и три десятых вольта. Поднимать такое напряжение внешним источником невозможно: это потребовало бы дополнительных выводов и высоковольтной разводки платы. Поэтому на кристалле размещают многокаскадные насосы Диксона на МОП-структурах, где диоды заменены транзисторами с соединёнными затвором и стоком, а генератор выполнен на кольцевом осцилляторе. Насосы работают только во время операций записи и стирания, отдавая микроамперы, но формируя точно выверенные высокие напряжения, от стабильности которых зависит надёжность хранения данных. Площадь кристалла под насосы и их конденсаторы - существенная статья бюджета площади, и это одна из причин, по которой напряжения программирования снижаются с каждым новым поколением техпроцесса, где оксиды тоньше.
Вторая большая область - драйверы затворов силовых ключей. N-канальный полевой транзистор в верхнем плече полумоста требует напряжения на затворе выше напряжения на истоке, а исток в открытом состоянии подтянут к шине питания силовой части. Значит, драйверу нужно напряжение выше этой шины. Бутстрепная схема с диодом и конденсатором - фактически однокаскадный зарядовый насос, который заряжает конденсатор, когда нижний ключ открыт, и использует его как плавающее питание верхнего драйвера, когда верхний ключ открывается. Для стопроцентной скважности или мостов с длительным статическим состоянием применяют именно насосы на кристалле драйвера, которые непрерывно подпитывают плавающую шину независимо от коммутационного цикла. Аналогичные накачки стоят в драйверах затворов GaN-транзисторов, где требования к скорости и точности уровней ещё жёстче.
Выходное сопротивление, просадка под нагрузкой и пульсации
Количественная сторона зарядового насоса описывается понятием выходного, или эквивалентного, сопротивления. Периодический перенос заряда порциями ведёт себя как резистор: чем выше частота и чем больше ёмкость летающего конденсатора, тем меньше падение напряжения при заданном токе. Для инвертора типа ICL7660 базовая оценка просадки даётся формулой: дельта V равна току нагрузки, делённому на удвоенное произведение частоты и ёмкости. Двойка в знаменателе появляется потому, что полный период состоит из двух фаз, и каждый летающий конденсатор передаёт заряд один раз за период. К этой идеализированной составляющей добавляются потери на сопротивлении ключей и эквивалентном последовательном сопротивлении конденсаторов, которые растут с увеличением частотных составляющих импульсного тока.
Рассмотрим конкретный числовой пример. Пусть летающий конденсатор имеет ёмкость одна микрофарада, частота переключения сто килогерц, ток нагрузки двадцать миллиампер. Подставляем: двадцать миллиампер делим на два, умноженное на сто тысяч герц и на одну микрофараду. Знаменатель равен два, умноженное на сто тысяч и на одну миллионную, то есть ноль целых два десятых ампера на вольт. Деление даёт дельта V равное ноль целых одна десятая вольта. Итого просадка - сто милливольт, что для инвертора из пяти вольт означает выход около минус четыре целых девять десятых вольта без учёта потерь на ключах. Если частоту снизить вдвое до пятидесяти килогерц, просадка удвоится до двухсот милливольт; если ёмкость увеличить до двух микрофарад, просадка уменьшится до пятидесяти милливольт. Эта простая линейная зависимость - главный рабочий инструмент при выборе частоты и ёмкости.
Пульсации выходного напряжения оцениваются сходным образом: за полупериод нагрузка разряжает выходной конденсатор на величину, равную произведению тока на длительность разряда, делённому на ёмкость. При тех же двадцати миллиамперах, частоте сто килогерц и выходном конденсаторе в десять микрофарад размах пульсаций составит примерно двадцать миллиампер, умноженные на пять микросекунд и делённые на десять микрофарад, то есть десять милливольт. Согласование такта и ёмкостей здесь критично, ведь эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора добавляет собственную пульсационную составляющую, пропорциональную импульсному току переключения, поэтому у выходного конденсатора оно должно быть заведомо меньше допустимой амплитуды, делённой на пиковый ток.
Эффективность, границы применимости и практические рекомендации
КПД зарядового насоса определяется отношением реального выходного напряжения к идеальному, умноженному на долю энергии, теряемой в ключах и на токах управления. В режиме точного удвоения, когда нагрузка выбрана так, что выходное напряжение близко к удвоенному входному, КПД превышает девяносто процентов, а в лучших синхронных топологиях достигает девяноста пяти - девяноста восьми процентов. Но стоит потребовать от насоса выход вдвое ниже возможного, например стабилизированные пять вольт при удвоении из пяти в десять вольт, и половина энергии рассеется в виде тепла, ничуть не лучше линейного стабилизатора. Поэтому насосы эффективны именно как умножители и инверторы с фиксированным коэффициентом, а для произвольной регулировки применяют гибридные схемы с дробными коэффициентами, где перестановка топологии позволяет держать КПД высоким в широком диапазоне входных напряжений, что используется в драйверах светодиодной подсветки и питании радиочастотных усилителей мобильных устройств.
Практические рекомендации при проектировании узла на зарядовом насосе можно свести к нескольким пунктам:
- Выбирать частоту так, чтобы просадка при максимальном токе укладывалась в допуск с запасом не менее тридцати процентов, поскольку ёмкость керамических конденсаторов проседает при постоянном смещении, порой вдвое и более у типов с сегнетокерамикой высокой диэлектрической проницаемости.
- Применять конденсаторы с малым эквивалентным последовательным сопротивлением, предпочтительно многослойную керамику класса X7R или X5R, и размещать их предельно близко к выводам микросхемы, минимизируя площадь импульсных контуров.
- Проверять пульсации расчётом и осциллографом, учитывая как ёмкостную, так и резистивную составляющие, и при необходимости ставить после насоса фильтр или линейный стабилизатор с малым падением.
- Не каскадировать ступени сверх необходимого: каждая ступень умножает выходное сопротивление и добавляет потери на ключах или диодах.
- Развязывать входной конденсатор на шине питания, так как импульсный ток заряда летающего конденсатора создаёт на входе помехи, способные проникнуть в аналоговые цепи.
Зарядовые насосы заняли прочную нишу между линейными стабилизаторами и индуктивными импульсными преобразователями. Там, где нужно умножить, инвертировать или слегка поднять напряжение при токах от микроампер до сотен миллиампер, они дают компактное, дешёвое и надёжное решение без магнитных компонентов. От скромного ICL7660 и вездесущего MAX232 до многокаскадных накачек в трёхмерной флэш-памяти и драйверах нитрид-галлиевых ключей - везде действует один и тот же изящный принцип двухфазного переноса заряда летающим конденсатором, и понимание его количественных законов позволяет инженеру уверенно оценивать просадку, пульсации и КПД ещё до первого включения макета.