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チャージポンプコンバータを使用して設計ニーズを満たす方法

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はじめに

ほとんどのエンジニアは、出力電圧 (VOUT) を入力電圧 (VIN) の値を超えるまでステップアップする昇圧コンバータのことをよく知っています。また、昇降圧コンバータとシングルエンド一次インダクタコンバータ (SEPIC) が、受信デバイスの必要に応じて、VOUTがVINを超える、下回る、または等しくなることを保証できることもよく知っています。

チャージポンプコンバータは、コンデンサを使用して電圧を上げたり下げたりするDC/DCコンバータの一種です。これらのコンバータは多くの場合、占有面積が小さく、効率が高く、非常にコスト効率が優れています。これらは薄膜トランジスタ液晶ディスプレイ (TFT-LCD) のバックライトや光モジュールによく使用され、降圧回路の上部トランジスタ (NチャネルMOSFET) を駆動できます。

電圧ダブラとして機能するチャージポンプ

従来、チャージポンプコンバータは多くの場合、VINからコンデンサを充電し、VOUTがVINのちょうど2倍になるようにするために充電を切り替える電圧ダブラとして機能します。基本原理は単純です。コンデンサを充電および放電し、コンデンサが電荷を蓄積できることを利用して、この電荷を充電回路から分離し、放電回路を通過させます。

充電の段階では、4つのスイッチのうち2つ (Q1とQ4) がオンになり、他の2つのスイッチ (Q2とQ3) がオフになります。これにより、入力がコンデンサ (C1) を充電できるようになります (図1参照)。

次は変換の段階になります。この段階では、コンデンサの両端の電圧はすぐには変化しないため、Q1とQ4はオフになりますが、Q2とQ3はオンになります。その後、C1が出力コンデンサ (COUT) に放電します。電荷移動は、VOUT = 2 x VINのようなスイッチング伝達を通じて達成されます。

図1 : 電圧ダブラ回路図

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チャージポンプアプリケーション

次のセクションでは、チャージポンプ コンバータの古典的なアプリケーションについて説明します。

降圧回路のハイサイドMOSFETに対するチャージポンプの使用

例として降圧回路を考えてみましょう。ハイサイド MOSFET (HS-FET) を駆動し、ゲート・ソース間電圧 (VGS) がしきい値電圧 (VTH) を超えるようにするには、ゲートの電圧を上げるブートストラップ回路が必要になる場合があります。

図2は、C1が1つのスイッチングサイクル内で充電および放電プロセスを完了し、ゲート電圧が上昇することを示しています。チャージポンプは、 降圧コンバータのブートストラップ回路でHS-FETを駆動するために使用されるだけではありません。チャージポンプは、ハーフブリッジおよびフルブリッジアプリケーションでHS-FETを駆動するために使用することもできます。

図2 : HS-FETに対するチャージポンプの使用

昇圧回路でのチャージポンプの使用

昇圧アプリケーションの場合、昇圧コンバータの最大VOUTはTFT-LCDのVP / VN電源など、特定のデバイスの電圧仕様を満たせない場合があります。TFTバイアス電源に一般的に使用されるコンバータを考えてみましょう。出力が25Vを超えるにもかかわらず、SWピンが最大25Vまでしか対応していないと、多くの場合、出力は制限されます。

エンジニアはより高い電圧に耐えられるICを見つけることができますが、それらのICでは費用効率が低くなります。このシナリオでは、チャージポンプ回路を追加できます (図3参照)。いくつかの追加部品により、昇圧コンバータは新しい出力 (VOUT2) を備え、これは標準出力電圧 (VOUT1) の2倍です。図3は、700kHz/1.3MHzの昇圧コンバータであるMP1542で使用されるチャージポンプを示しています。

図3 : 昇圧回路のチャージポンプ

図4は、図3に基づく簡略化された回路を示しています。

図4 : 昇圧回路の簡略化されたチャージポンプ

図5は、全体的な充電プロセスを示しています。Q1がオンになると、C1はエネルギーをC2に伝達し、最初の電圧 (V1) が2番目の電圧 (V2) に等しくなるまで、C2の電圧が上昇します。Q1がオフになると、2番目のコンデンサ (C2) がエネルギーを出力に伝達し、最終電圧 (V3) はV2＋V1、または (2 x V1) に等しくなります。

図5 : 簡略化されたチャージポンプの機能図

チャージポンプを使用した負のVOUTアプリケーション

チャージポンプは、正と負の両方の出力電圧を持つアプリケーションで使用できます。必要な周辺部品が少なく、占有スペースも小さいため、これらのアプリケーションでは一般的な選択肢となります。

図6は、VOUTを-VINに等しくするために、内部ロジック回路に4つのMOSFETだけが必要な回路を示しています。この回路には外部インダクタが必要ないため、全体のコストが削減され、設計が簡略化されます。このコンパクトで薄型のソリューションは、光モジュール、RFアンプ、センサ電源などの幅広いアプリケーションに適しています。

図6 : 負のVOUTをもつアプリケーションでのチャージ ポンプ

表1は、従来のインダクティブDC/DCコンバータ とキャパシタDC/DCコンバータの違いをまとめたものです。

表1 : インダクティブDC/DCコンバータとキャパシタDC/DCコンバータ

インダクティブ DC/DCコンバータ キャパシタ DC/DCコンバータ
広いVINを備えた高電力アプリケーションに推奨 PCBサイズを小さくするための外付け部品の削減
高精度 VOUT 低い電磁障害 (EMI) と静止電流 (自己消費電流)、高効率
EMIを低減するには追加部品が必要 広い入力電圧を持つアプリケーションには推奨されません

結論

チャージポンプコンバータは、入力に対して出力を効果的に2倍にすることができるコスト効率の高いソリューションです。設計者は、アプリケーション要件を満たす適切なDC/DCコンバータを選択する必要があります。MPSはあらゆる設計仕様に対応する数多くのチャージポンプコンバータ、昇圧コンバータと昇降圧コンバータを提供します。

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