¿Por qué las bombas de carga solo se usan para aplicaciones de baja corriente?

Por lo general, los elementos más caros (y difíciles de conseguir) en un SMPS son los inductores. Por lo tanto, me preguntaba si es posible usar fuentes de alimentación de modo de conmutación sin inductor (es decir, bombas de carga) para casos de uso genérico, por ejemplo, una fuente de alimentación de sobremesa, convertidores CC-CC fijos de alta potencia (varios amperios y algunos cientos de vatios de potencia ), etc.

Sin embargo, todos los diseños de bombas de carga que pude encontrar eran para aplicaciones de baja potencia. ¿Qué impide que uno diseñe una fuente de alimentación sin inductor de alta potencia? ¿Existen algunas limitaciones físicas inherentes?

Sospecho que los inductores pueden almacenar más energía por unidad de volumen/costo que los condensadores: pruebe el cálculo de la parte posterior de un sobre para saber qué tamaño de condensadores necesitaría para una bomba de carga hipotética.
Hay circuitos integrados de bomba de carga/conmutador capacitivo, pero estos suelen ser solo para muy baja potencia. También espero que necesite condensadores muy grandes. También espero que los inductores tengan menos pérdidas.
@pjc50 Con una frecuencia de conmutación de 50 kHz, podría crear fácilmente un convertidor reductor de 20 A, 24 V a 12 V, con condensadores en el rango de 10 uf. La simulación también parece prometedora. ¿Estoy haciendo algo mal?
¿Ha incluido alguna ESR realista (resistencia en serie) para esos condensadores? Los simuladores son como el papel: puedes hacer que cualquier cosa funcione o no funcione en ellos ;-)
@FakeMostache Sí. ¡Y de acuerdo!
Una fuente de alimentación conmutada correctamente construida necesita una placa de circuito impreso y es probable que la placa de circuito impreso sea el elemento más costoso y difícil de obtener porque ¡tiene que diseñarlo!
@Andyaka El PCB no es el artículo más caro ni el más difícil de conseguir.
Un capacitor de 10uF que suministre 10A caerá un voltio por microsegundo. A una frecuencia de conmutación de 50Khz, estaría viendo una ondulación del 100%.
Si uno quisiera, por ejemplo, convertir 24 V a 9 V, podría tolerar una caída de dos voltios en el transcurso de 20 us, por lo que funcionaría un límite de 100 uF (dos voltios de ondulación, más otras pérdidas, podrían sumar menos de tres voltios). La eficiencia sería de alrededor del 75%, bastante independiente de la ESR u otros problemas similares, pero algo en el circuito tendría que descargar 60 vatios de calor en alguna parte.

Respuestas (4)

Hay dos problemas con tu idea. Uno práctico y otro fundamental.

El problema práctico es que, por cantidad de energía almacenada, los condensadores son más caros que los inductores y, además, los condensadores de alta capacidad (electrolíticos) envejecen.

El problema fundamental es que cargar un capacitor desde una fuente de voltaje es fundamentalmente con pérdidas (disipará calor). Esto puede parecer contrario a la intuición, pero no obstante es cierto. (Hubo una pregunta sobre esto hace algún tiempo). Por lo tanto, un convertidor de voltaje de capacitor flotante, incluso uno ideal, es intrínsecamente ineficiente. (Un convertidor de voltaje ideal basado en un inductor es 100% eficiente).

Puede parecer extraño que el mundo sea injusto con los capacitores, pero eso es culpa nuestra humana: suministramos energía principalmente de fuentes de voltaje. Para las fuentes de corriente ocurre lo contrario: un convertidor de corriente ideal a partir de condensadores voladores puede ser 100% eficiente, mientras que uno de inductores necesariamente debe tener pérdidas.

Gracias. No puedo entender el hecho de que los condensadores son más caros que los inductores (en una configuración SMPS). Mi experiencia es que, al menos para cantidades pequeñas, necesito hacer algunos cálculos, comprar núcleos y alambres específicos y enrollar el alambre alrededor del núcleo yo mismo. Lleva mucho tiempo. Mientras que con un condensador, solo compro uno ya hecho. Por otro lado, soy un novato absoluto en el dominio SMPS, por lo que probablemente haya mejores formas de evitarlo.
¡Seguramente puede comprar inductores listos para usar! Pero preste atención a mi segundo punto: un convertidor de voltaje basado en condensadores es inherentemente con pérdidas. No hay manera de evitar eso.
Parece que dije esencialmente lo mismo... más tarde. ups.
@Lazarus hay muchos inductores disponibles en el mercado. Tengo una herramienta llamada webbench que hará el diseño por usted, incluido el cálculo de la eficiencia y le indicará exactamente qué piezas comprar. El único problema que he encontrado es que tiene una tendencia a usar por defecto partes que son PITA para soldar.
Huh, agradable (+1 en todas partes). ¿Es esta la pregunta anterior? electronics.stackexchange.com/questions/54992/… . Sabía acerca de los límites y las fuentes de voltaje... ¡pero nunca había pensado realmente en eso!
Sí, gracias George, ese es el que tenía en mente.
¿La ineficiencia fundamental no tiende a 0 cuando la frecuencia tiende a infinito? (O cuando la corriente de salida va a 0)
¿Dónde he visto el último párrafo antes?
@immibis, una bomba de carga idealizada tiende hacia la eficiencia perfecta a medida que la frecuencia tiende al infinito o la carga tiende a cero. Cualquier convertidor real, por supuesto, tenderá hacia la eficiencia cero ya que la carga tiende a la carga cero debido a la corriente de reposo.
No, una bomba de carga de voltaje idealizada NO convergerá a una eficiencia perfecta para cualquier corriente de salida distinta de cero. No se puede vencer a la naturaleza: la carga del condensador SIEMPRE incurrirá en una pérdida fija (y la descarga también). Incluso con todos los componentes convergiendo a la perfección.
@WoutervanOoijen ¿No es la pérdida por ciclo proporcional a CdV^2, donde dV es la cantidad de cambio de voltaje en un ciclo, que es proporcional a 1/f? Entonces, a una frecuencia más alta, tiene más ciclos, pero aún menos pérdida: C (1/f) ^ 2 * f = C/f.
Si la memoria no me falla, cargar un capacitor a través de solo una resistencia (que será solo la resistencia de un cable) es solo un 50% eficiente.
@Lazarus Su experiencia solo demuestra cuán fáciles son los inductores disponibles, tan fáciles que puede personalizarlos a mano y evitar comprometer la eficiencia del diseño.
@Agent_L, ¿puede indicarme alguna referencia para obtener más detalles, por favor?
@Lazarus Eres mi fuente. Usted dijo que diseña y produce sus propios inductores (como lo hace mucha gente). No se puede hacer eso con un condensador, ¿verdad? Ergo, las piezas más sencillas de producir son más baratas cuando se comparan en las mismas circunstancias. (Comparar inductores hechos a medida con tapas estándar no era justo).
@Agent_L Oh, quise decir una referencia para obtener más detalles sobre cómo personalizar los inductores a mano, no una referencia para respaldar su reclamo :)
Esta respuesta compara las bombas de carga y los convertidores CC-CC basados ​​en inductores desde el punto de vista del costo y la eficiencia. No responde por qué las bombas de carga se usan para aplicaciones de baja corriente.
Lo hace: en comparación con la energía almacenada, los condensadores son mucho más caros que los inductores y un convertidor basado en condensadores es menos eficiente. (solo) A niveles de potencia suficientemente pequeños, cualquiera de los argumentos es importante, y el hecho de que los capacitores pequeños sean más caper que los inductores pequeños puede ser más importante.
No estoy completamente de acuerdo con que haya algún problema inherente en las bombas de carga de condensadores con respecto a las pérdidas. Si eso fuera cierto, este dispositivo no sería posible: cds.linear.com/docs/en/datasheet/7820fb.pdf
@payala: sí, pero solo en un múltiplo par según la cantidad de capacitores. Para la hoja de datos a la que hizo referencia, esas impresionantes curvas de eficiencia fueron solo para duplicar o reducir a la mitad el voltaje de entrada (o invertir a 1: 1). Esto es excelente cuando ni el voltaje de entrada ni el voltaje de salida se desvían mucho del múltiplo par, pero un inductor puede brindar una curva de eficiencia más suave con respecto a los voltajes de entrada o salida variables.

Los condensadores serían mejores si la fuente y la salida fueran de corriente constante. Puede cargar el capacitor hasta que el voltaje aumente a un cierto nivel, luego descargar el capacitor en la impedancia de carga para mantener una corriente de salida constante. Usaría un gran inductor como filtro de salida para mantener constante la corriente de salida.

Dado que nuestras fuentes son de voltaje constante y generalmente queremos un voltaje de salida constante, tiene más sentido usar inductores para almacenar energía y capacitores para filtrarla.

Tenga en cuenta que todos los suministros de conmutación eficientes tienen condensadores e inductores.

Sí, las bombas de carga (condensador volador) pueden tomar un voltaje y moverlo, voltearlo, incluso multiplicarlo por números enteros y cosas por el estilo, pero cada vez que carga o descarga un condensador a través de un interruptor resistivo, pierde una parte del cambio de energía del condensador. en el interruptor mismo: un cambio de voltaje mayor significa más pérdidas. Un interruptor de menor resistencia solo significa que la energía perdida por un cambio de voltaje dado se comprime en una porción de tiempo más pequeña, el total permanece constante.

"Cada vez que carga o descarga un capacitor a través de un interruptor resistivo, pierde la mitad del cambio de energía del capacitor en el interruptor mismo". eso es cierto si carga y descarga completamente el capacitor cada vez. Si solo lo descarga parcialmente, puede hacerlo mejor.
@PeterGreen "cambio de energía" no energía total.
Digamos que un capacitor de 1 faradio comienza en 5V y se carga a 6V a través de una resistencia de una fuente de 6V. Energía en el capacitor antes = 0.5 * 1 * 5 * 5 = 12.5. Energía en el capacitor después de = 0.5 *1 *6*6 = 18 . Energía añadida al condensador = 18-12,5 = 5,5. Energía extraída del suministro = (6-5) *1 *6 = 6 . Solo se pierden 0,5 julios de energía para agregar 5,5 julios de energía al capacitor.
Cuando carga un condensador de cero a completo a través de una resistencia, de hecho pierde la mitad de la energía, pero la relación entre la energía añadida y la energía perdida no es constante. La etapa inicial de la carga tiene muchas pérdidas, la etapa tardía es muy eficiente.
"Podría cargar el capacitor hasta que el voltaje subiera a cierto nivel, luego descargar el capacitor en la impedancia de carga para mantener una corriente de salida constante". - Resulta que este es solo un convertidor reductor con un condensador adicional en la entrada .
La topología SEPIC de @immibis es similar.
@PeterGreen Supongo que si el capacitor flotante solo está ligeramente descargado, la bomba de carga puede ser más eficiente, pero supongo que eso también significa que está extrayendo una corriente relativamente pequeña del capacitor flotante, o tiene un capacitor muy grande en cuyo punto un inductor es más pequeño y más rentable. Esa puede ser la razón por la cual las bombas de carga solo se usan para aplicaciones de baja corriente.

Si se conectan juntos dos capacitores o cadenas de capacitores en serie con diferentes voltajes, sus cargas se promediarán de una manera que reduce la cantidad de energía almacenada en ellos. Si están conectados mediante un inductor, el exceso de energía se transferirá a ese inductor y, posteriormente, se puede destinar a algún propósito útil. Si la conexión es puramente resistiva, la energía se convertirá al 100 % en calor. Minimizar la resistencia no reducirá la pérdida de energía; simplemente reducirá la cantidad de tiempo requerido para que ocurra.

En consecuencia, para que una bomba de carga sea eficiente, los capacitores deben ser lo suficientemente grandes como para que el voltaje entre ellos nunca varíe mucho. En los casos en que una bomba de carga no necesita transportar mucha energía, se puede usar un regulador lineal en la salida y aumentar el voltaje lo suficiente como para que, en las peores condiciones de ondulación, el voltaje de salida siga siendo lo suficientemente alto para mantener la regulación, pero la eficiencia estará limitado por la relación de la tensión de carga multiplicada por la relación de refuerzo a la tensión de la fuente.

Hay algunos problemas con las bombas de carga.

  1. no pueden ofrecer eficiencia y regulación de voltaje al mismo tiempo. La única forma de regular el voltaje de salida para que permanezca constante durante las variaciones del voltaje de entrada y las variaciones de carga es introducir una ineficiencia deliberada.
  2. La corriente debe pasar a través de dos elementos de conmutación (diodos o transistores) durante las partes de carga y descarga del ciclo (mientras que con un convertidor reductor o elevador solo necesita pasar a través de un elemento de conmutación a la vez).
  3. La eficiencia depende en gran medida de la relación de voltaje de entrada a salida deseada. Si desea hacer, por ejemplo, un convertidor de voltaje de 1.5x, entonces tendría que usar algún arreglo complejo de múltiples etapas o hacer un convertidor de 2x y ejecutarlo en un modo deliberadamente ineficiente.
Refiriéndose al punto 3, cualquier proporción de enteros es posible de manera eficiente sin mucha complejidad adicional. Para 1,5x, cargue las tapas en conexiones de serie 2 (para que cada una vea 0,5x del voltaje de suministro) y descárguelas en serie 3.
¿Por qué las bombas de carga solo se usan para aplicaciones de baja corriente?
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