Doblador de voltaje y potencia

No hay límite práctico. La idea de que las bombas de carga son poco prácticas o incluso ineficientes no tiene base en la realidad, al menos no hoy.

Podría haber sido superficialmente cierto en algún momento hace muchos años antes de que existieran los condensadores cerámicos de mayor capacidad, y la mayoría de las tapas electrolíticas eran básicamente basura. En realidad, la mayoría de las tapas electrolíticas de hoy en día siguen siendo basura, a excepción de algunas versiones costosas de alto rendimiento.

La corriente que puede extraer de un duplicador de voltaje, o para decirlo con mayor precisión, la impedancia de salida del duplicador de voltaje es algo que puede tratar como la ESR de una batería, por ejemplo, o simplemente como una resistencia en serie con la salida. Al menos para una aproximación básica de DC. Más corriente de carga significa más caída de voltaje debido a esa impedancia. Sin embargo, tenga en cuenta que, dado que se trata de impedancia, esa energía se almacena en lugar de disiparse, por lo que esta impedancia no contribuye directamente a las pérdidas de la bomba de carga, pero como dice en su pregunta, esto ciertamente puede poner un límite práctico en el poder niveles razonablemente alcanzables.

Sin embargo , no hay una razón específica para el funcionamiento de la bomba de carga que esté detrás de esto. Los inductores tienen resistencia en serie y, a menudo, puede ser alta para los inductores de mayor valor, pero los usamos fácilmente para niveles de potencia de muchos kW o más.

La idea de que las bombas de carga no son tan capaces no se debe a la bomba de carga, sino a lo pobre que solía ser la tecnología de capacitores. Y esto tampoco se debió realmente a la impedancia de salida: la impedancia se reduce fácilmente simplemente usando condensadores más grandes o frecuencias más altas. El uso de 600 µF de capacitancia a 10 kHz y 5 A provocará una caída de voltaje de menos de 300 mV en la salida. Eso realmente no está nada mal.

El problema era que, como mencioné anteriormente, los capacitores electrolíticos eran (son) basura completa. Son terribles en cada parte de ser un condensador, excepto por la carga almacenada real. Claro, tienen µF por días, pero lo pagas con una ESR extremadamente alta (a menos que uses capacitores de tamaño monstruoso), y un ESL muy bajo y un rendimiento de ondulación además de eso. La mayoría de los capacitores electrolíticos dejan de comportarse como un capacitor por completo a frecuencias superiores a 100 kHz (los capacitores de polímero sólido a veces manejan 150 kHz... con un gran costo adicional de BOM). Así que en realidad es la inductanciade capacitores electrolíticos, junto con la resistencia en serie relativamente alta y el bajo costo y la eficiencia volumétrica que, combinados, hicieron que las bombas de carga fueran una opción bastante poco atractiva. Se vería obligado a mantenerse alejado de la frecuencia de resonancia propia del capacitor, donde el ESL hace que se comporten como resistencias (con impedancia reactiva, por supuesto, en lugar de resistencia real) por completo, lo que le impide duplicar el voltaje real. Esta es la razón por la que muchos chips de bomba de carga disponibles en el mercado utilizan frecuencias de conmutación tan bajas. ¡Tan bajos que son audibles! 5-10kHz es bastante común.

Y esa frecuencia más baja, por supuesto, agrava el problema, ya que también aumenta la impedancia reactiva debido a la capacitancia... pero no tanto como uno pensaría.

Es muy importante tener en cuenta que cuando se habla de circuitos de CA, todo es estrictamente sinusoidal. La fórmula de impedancia para un condensador solo es precisa para una onda sinusoidal a una frecuencia dada, y no se aplica a formas de onda de aspecto más discontinuo como los MOSFET que se encienden y se encienden con fuerza. Los tiempos de subida de nanosegundos no son muy sinusoidales a frecuencias inferiores a 1 GHz.

Ahora, ninguna forma de onda es verdaderamente discontinua, por lo que estas formas de onda de conmutación, aunque parecen cuadradas, se pueden deconstruir en una serie de componentes sinusoidales continuos, comenzando con el fundamental y luego armónicos pares o impares (dependiendo de si es un borde ascendente o descendente) , abarcando el rango de frecuencias hasta las frecuencias sinusoidales con periodos similares al tiempo de subida del flanco. Como esto:

Como puede ver en el gráfico inferior, solo una parte de la potencia está contenida en la fundamental, el resto está contenido en armónicos de mayor frecuencia, lo que significa que la impedancia reactiva del condensador no se aplica uniformemente a los diversos componentes de la forma de onda del conmutador. Esto permite un aumento modesto pero significativo en la potencia efectiva que se puede transferir a una frecuencia dada a través de un capacitor dado, simplemente porque la forma de onda no es sinusoidal. Mientras que la impedancia vuelve a subir después de 100 kHz aproximadamente, casi toda la energía está contenida en los armónicos más bajos que eso (para 10 kHz y tiempos de subida típicos de MOSFET).

E intuitivamente, esto tiene sentido: si simplemente carga un capacitor tan rápido como lo acepte en lugar de aumentarlo en una buena onda sinusoidal, entonces puede cargar ese capacitor más rápido y en el contexto de la bomba de carga, su la caída de voltaje debido a la impedancia de salida es un poco menor. En general, esto no es un cambio de juego ni nada, pero es notable y sentí que valía la pena mencionarlo.

De todos modos, ya no es la década de 1980 y ya no estamos limitados en nuestra selección de condensadores. Los capacitores cerámicos ya no solo están disponibles en nanofaradios, están comenzando a igualar (y suplantar) electrolíticos pequeños, con valores como 100 µF o más fácilmente disponibles en capacitores cerámicos.

Y a diferencia de los condensadores electrolíticos, los condensadores cerámicos en realidad merecen ese nombre: condensador. Su ESR es tan bajo, típicamente en mΩ de un solo dígito, y su ESL se limita a la inductancia parásita desde la altura de las tapas de los extremos SMD (!!!), que estos son realmente los capacitores que nos merecemos.

Entonces, hagamos un duplicador de voltaje que cambie en un orden de magnitud más rápido que los dispositivos sin sentido de 10kHz que son anteriores al DeLorean, 150kHz. Esto ni siquiera es digno de mención para un condensador de cerámica. Y construyámoslo usando 6 condensadores cerámicos de 10 µF y 63 V, lo que no es razonable. Y dupliquemos 24 V a 48 V... a 360 W , o 7,5 A a 48 V de salida.

Este es el rendimiento que obtenemos de nuestro llamado duplicador de voltaje de 'baja potencia':

98,25% eficiente.

Así que no, las bombas de carga ya no tienen una potencia limitada como, por ejemplo, los convertidores reductores o elevadores basados ​​en inductores convencionales. De hecho, los superan en una amplia gama de niveles de potencia y voltajes de salida. Mire este gigante de duplicación/división de voltaje de más de 500 W, el LTC7820 . Su hoja de datos es la fuente de ese gráfico de eficiencia.

Existe un problema fundamental con ellos que probablemente sea la verdadera causa de su uso bastante limitado en la conversión de energía, y que no pueden regular sus salidas como lo hacen los conmutadores basados ​​​​en inductores. Son verdaderos duplicadores/divisores. Obtiene la mitad o el doble del voltaje de entrada y solo eso. Son puramente ratiométricos, y esas proporciones son bastante limitadas (como duplicar, reducir a la mitad, multiplicar). Por lo tanto, pueden funcionar muy bien como conversión de potencia intermedia, pero normalmente aún necesitaría un regulador posterior (o un regulador previo, o ambos). Y en ese punto, también podría hacer un conmutador convencional de 500W. Dependiente.

Todo lo que digo es que no asuma que las bombas de carga no pueden manejar una gran potencia, definitivamente pueden hacerlo.

La impedancia de ese circuito será proporcional a la impedancia de sus condensadores a la frecuencia de su fuente de CA.

No sé cómo se relacionará exactamente en el circuito que está utilizando. No he jugado con ese arreglo.

Dado que está utilizando LTSpice, puede averiguar fácilmente cómo se relaciona la impedancia del duplicador con la impedancia de los condensadores.

Mida el voltaje descargado del duplicador, luego coloque una resistencia desde la salida a tierra y mida el voltaje. Siga bajando la resistencia hasta que el voltaje de salida sea la mitad del voltaje sin carga. Esa resistencia R es la impedancia aproximada del duplicador.

Compare eso con la impedancia de un solo capacitor a su frecuencia de CA. R debe ser un múltiplo de la impedancia del capacitor.

Repita para diferentes valores de condensador, y debería descubrir rápidamente cómo se relacionan la impedancia del condensador y la impedancia del duplicador.

Este sitio entra en detalles sobre la impedancia y la carga del multiplicador de voltaje. Sin embargo, se trata de multiplicadores de Cockcroft-Walton, que son diferentes de su circuito.