Spannungsverdoppler und Leistung

Es gibt keine praktische Grenze. Die Vorstellung, Ladungspumpen seien unpraktisch oder gar ineffizient, entbehrt jeder Grundlage, zumindest nicht heute.

Es mag oberflächlich einmal vor vielen, vielen Jahren wahr gewesen sein, bevor es Keramikkondensatoren mit höherer Kapazität gab, und die meisten Elektrolytkappen waren im Grunde Müll. Eigentlich sind die meisten Elkos heute noch Schrott, abgesehen von einigen teuren Leistungsversionen.

Der Strom, den Sie aus einem Spannungsverdoppler ziehen können, oder genauer gesagt, die Ausgangsimpedanz des Spannungsverdopplers ist etwas, das Sie beispielsweise wie den ESR einer Batterie oder einfach einen Widerstand in Reihe mit dem Ausgang behandeln können. Zumindest für eine grundlegende DC-Näherung. Mehr Laststrom bedeutet mehr Spannungsabfall aufgrund dieser Impedanz. Beachten Sie jedoch, dass Energie gespeichert und nicht verbraucht wird, da dies eine Impedanz ist, sodass diese Impedanz nicht direkt zu den Verlusten der Ladungspumpe beiträgt, aber wie Sie in Ihrer Frage sagen, kann dies die Leistung sicherlich praktisch begrenzen vernünftig erreichbares Niveau.

Dahinter steckt jedoch kein spezieller Grund für den Betrieb der Ladepumpe. Induktivitäten haben einen Serienwiderstand, der bei höherwertigen Induktivitäten oft hoch sein kann, aber wir verwenden sie problemlos für Leistungen von vielen kW oder mehr.

Die Idee, dass Ladungspumpen nicht so leistungsfähig sind, liegt nicht an der Ladungspumpe, sondern daran, wie schlecht die Kondensatortechnologie früher war. Und das lag auch nicht wirklich an der Ausgangsimpedanz - die Impedanz lässt sich einfach durch Verwendung größerer Kondensatoren oder höherer Frequenzen senken. Verwenden Sie eine Kapazität von 600 µF bei 10 kHz und 5 A verursachen weniger als 300 mV Spannungsabfall am Ausgang. Das ist wirklich gar nicht schlimm.

Das Problem war, dass, wie ich bereits erwähnt habe, Elektrolytkondensatoren kompletter Müll waren (sind). Sie sind in jedem Teil eines Kondensators schrecklich, mit Ausnahme der tatsächlich gespeicherten Ladung. Sicher, sie haben tagelang µF, aber Sie zahlen dafür mit einem extrem hohen ESR (es sei denn, Sie verwenden Kondensatoren mit ungeheurer Größe) und darüber hinaus mit einer sehr schlechten ESL- und Welligkeitsleistung. Die meisten Elektrolytkondensatoren verhalten sich bei Frequenzen über 100 kHz nicht mehr vollständig wie ein Kondensator (Solid-Polymer-Kondensatoren schaffen manchmal 150 kHz ... zu großen zusätzlichen Stücklistenkosten). Also eigentlich die Induktivitätvon Elektrolytkondensatoren, zusammen mit dem relativ hohen Serienwiderstand und den geringen Kosten und der volumetrischen Effizienz, die zusammen Ladungspumpen zu einer ziemlich unattraktiven Option machten. Sie wären gezwungen, sich weit von der Eigenresonanzfrequenz des Kondensators fernzuhalten, bei der sich die ESL wie Widerstände verhalten (natürlich mit Blindimpedanz und nicht mit echtem Widerstand), wodurch Sie jede tatsächliche Spannungsverdopplung verlieren. Aus diesem Grund verwenden viele im Handel erhältliche Ladungspumpenchips so niedrige Schaltfrequenzen. So leise, dass sie hörbar sind! 5-10kHz ist ziemlich üblich.

Und diese niedrigere Frequenz verschlimmert natürlich das Problem, da sie auch die Blindimpedanz aufgrund der Kapazität erhöht ... aber nicht annähernd so stark, wie man denken würde.

Es ist sehr wichtig zu bedenken, dass bei Wechselstromkreisen alles streng sinusförmig ist. Die Impedanzformel für einen Kondensator ist nur für eine Sinuswelle bei einer bestimmten Frequenz genau und gilt nicht für diskontinuierlichere Wellenformen wie das Einschalten von MOSFETs, und sie schalten hart ein. Nanosekunden-Anstiegszeiten sind bei Frequenzen unter 1 GHz nicht sehr sinusförmig.

Nun ist keine Wellenform wirklich diskontinuierlich, sodass diese Schaltwellenformen, obwohl sie quadratisch erscheinen, in eine Reihe kontinuierlicher, sinusförmiger Komponenten zerlegt werden können, beginnend mit der Grundwelle und dann entweder geraden oder ungeraden Harmonischen (je nachdem, ob es sich um eine steigende oder fallende Flanke handelt). , die den Frequenzbereich bis hin zu den Sinusfrequenzen mit Perioden ähnlich der Anstiegszeit der Flanke überspannt. So was:

Wie Sie dem unteren Diagramm entnehmen können, ist nur ein Teil der Leistung in der Grundwelle enthalten, der Rest in Oberwellen höherer Frequenzen, was bedeutet, dass die Blindimpedanz des Kondensators nicht gleichmäßig auf die verschiedenen Komponenten der Switcher-Wellenform angewendet wird. Dies ermöglicht eine bescheidene, aber sinnvolle Erhöhung der effektiven Leistung, die bei einer bestimmten Frequenz durch einen bestimmten Kondensator übertragen werden kann, einfach weil die Wellenform nicht sinusförmig ist. Während die Impedanz nach etwa 100 kHz wieder ansteigt, ist fast die gesamte Energie in den darunter liegenden Oberschwingungen enthalten (für 10 kHz und typische MOSFET-Anstiegszeiten).

Und intuitiv macht das Sinn: Wenn Sie die Ladung einfach so schnell in einen Kondensator schlagen, wie er sie akzeptiert, anstatt sie in einer schönen Sinuswelle hochzufahren, können Sie diesen Kondensator schneller und im Kontext der Ladungspumpe aufladen Spannungsabfall aufgrund der Ausgangsimpedanz ist etwas geringer. Insgesamt ist dies kein Game Changer oder so, aber es ist auffällig und ich fand es erwähnenswert.

Jedenfalls sind wir nicht mehr in den 1980er Jahren und wir sind in unserer Auswahl an Kondensatoren nicht mehr eingeschränkt. Keramikkondensatoren sind nicht mehr nur in Nanofarad erhältlich, sie fangen an, kleine Elektrolyte mit Werten wie 100 µF oder mehr zu ersetzen (und ersetzen sie), die in Keramikkondensatoren leicht verfügbar sind.

Und im Gegensatz zu Elektrolytkondensatoren verdienen Keramikkondensatoren diesen Namen tatsächlich – Kondensator. Ihr ESR ist so niedrig, typischerweise im einstelligen mΩ-Bereich, und ihr ESL ist auf die parasitäre Induktivität aus der Höhe der SMD-Endkappen (!!!) begrenzt, dass dies wirklich die Kondensatoren sind, die wir verdienen.

Machen wir also einen Spannungsverdoppler, der um eine Größenordnung schneller schaltet als die unsinnigen 10-kHz-Geräte, die vor dem DeLorean 150 kHz liegen. Das ist für einen Keramikkondensator noch nicht einmal bemerkenswert. Und bauen wir es0 mit 6 x 10µF 63V Keramikkondensatoren kaum unvernünftig. Und lassen Sie 24 V auf 48 V verdoppeln ... bei 360 W oder 7,5 A bei 48 V Ausgang.

Dies ist die Leistung, die wir von unserem sogenannten "Low-Power"-Spannungsverdoppler erhalten:

98,25 % effizient.

Also nein, Ladungspumpen sind nicht mehr leistungsbegrenzt als beispielsweise herkömmliche Abwärts- oder Aufwärtswandler auf Induktivitätsbasis. Tatsächlich übertreffen sie sie in einem weiten Bereich von Leistungspegeln und Ausgangsspannungen. Schauen Sie sich diesen Spannungsverdoppler/-teiler-Giganten mit über 500 W an, den LTC7820 . Sein Datenblatt ist die Quelle dieses Effizienzdiagramms.

Es gibt ein grundlegendes Problem mit ihnen, das wahrscheinlich der wahre Grund für ihre ziemlich begrenzte Verwendung in der Leistungsumwandlung ist, und dass sie ihre Ausgänge nicht regulieren können, wie es Umschalter auf Induktivitätsbasis können. Sie sind wahre Verdoppler/Teiler. Sie erhalten die Hälfte oder das Doppelte der Eingangsspannung und nur das. Sie sind rein ratiometrisch und diese Verhältnisse sind ziemlich begrenzt (wie Verdoppeln, Halbieren, Multiplizieren). Sie können also hervorragend als Zwischenleistungsumwandlung funktionieren, aber Sie benötigen normalerweise immer noch einen Nachregler (oder Vorregler oder beides). Und an diesem Punkt könnten Sie genauso gut einen konventionellen 500-W-Umschalter bauen. Abhängig.

Ich sage nur, gehen Sie nicht davon aus, dass Ladungspumpen keine ernsthafte Wattleistung bewältigen können - das können sie definitiv.

Die Impedanz dieser Schaltung ist proportional zur Impedanz Ihrer Kondensatoren bei der Frequenz Ihrer Wechselstromquelle.

Ich weiß nicht, wie genau es sich auf die Schaltung bezieht, die Sie verwenden. Mit dieser Anordnung habe ich nicht herumgespielt.

Da Sie LTSpice verwenden, können Sie leicht herausfinden, wie sich die Impedanz des Verdopplers auf die Impedanz der Kondensatoren bezieht.

Messen Sie die unbelastete Spannung des Verdopplers, legen Sie dann einen Widerstand vom Ausgang auf Masse und messen Sie die Spannung. Verringern Sie den Widerstand weiter, bis die Ausgangsspannung die Hälfte der unbelasteten Spannung beträgt. Dieser Widerstand R ist die ungefähre Impedanz des Verdopplers.

Vergleichen Sie dies mit der Impedanz eines einzelnen Kondensators bei Ihrer Wechselstromfrequenz. R sollte ein Vielfaches der Kondensatorimpedanz sein.

Wiederholen Sie dies für verschiedene Kondensatorwerte, und Sie sollten schnell herausfinden, wie die Kondensatorimpedanz und die Verdopplerimpedanz zusammenhängen.

Diese Seite geht detailliert auf die Impedanz und Belastung von Spannungsvervielfachern ein. Es geht jedoch um Cockcroft-Walton-Multiplikatoren, die sich von Ihrer Schaltung unterscheiden.