Le Pompe di Carica possono gestire i volt! (senza componenti magnetici) – Prima parte

In questo articolo della Rubrica Firmware Reload analizziamo l’utilizzo delle pompe di carica per la generazione di tensioni anche basse.

La pompa di carica, o convertitore di tensione a capacità commutata, utilizza i condensatori come accumulatori di energia per generare una tensione di uscita. Ad esempio, il circuito pompa di carica di base, detto “duplicatore”, raddoppia la tensione di ingresso usando un solo condensatore flottante e quattro switch interni controllati da un clock a due fasi. Nella prima fase del clock, una coppia di switch carica il condensatore flottante fino alla tensione di ingresso (V_IN). Nella seconda fase del clock, un terzo switch connette il terminale negativo del condensatore a V_IN generando 2*V_IN sul suo terminale positivo. Il quarto switch connette il termine positivo del condensatore flottante al condensatore di uscita. In assenza di carico, la carica passa al condensatore di uscita in ogni ciclo finché l’uscita carica a 2*V_IN, cioè raddoppiando la tensione di ingresso. In presenza di un carico in uscita, il condensatore di uscita fornisce la corrente di carico nella prima fase, mentre il condensatore flottante fornisce la corrente di carico e carica il condensatore di uscita nella seconda fase. Ai fini del trasferimento di carica l’uscita regola la tensione a un valore di poco inferiore a 2*V_IN. La carica e la scarica del condensatore di uscita nelle due fasi del clock genera un ripple di uscita che è una funzione del valore del condensatore di uscita, della frequenza di clock e della corrente di carico di uscita. Tutte le altre implementazioni del circuito pompa di carica seguono questo schema di base, aggiungendo/cambiando switch e condensatori, oltre che il numero di fasi del clock. Le pompe di carica possono raddoppiare, triplicare, dimezzare, invertire le tensioni oppure moltiplicarle o scalarle per fattori frazionari come x3/2, x4/3, x2/3, ecc., e generare tensioni arbitrarie, a seconda del controller e della tipologia del circuito. L’efficienza delle pompe di carica può essere piuttosto buona quando si avvicina al loro rapporto di carica ideale. Nell’esempio del duplicatore citato prima, l’alimentazione in ingresso è pari a due volte la corrente di carico in uscita per cui la potenza di ingresso è uguale a quella di uscita nel migliore dei casi. In realtà, l’efficienza è leggermente inferiore a quella ideale a causa della corrente di riposo e di altre perdite. Per la loro versatilità, le pompe di carica possono essere utilizzate in una vasta gamma di applicazioni e segmenti di mercato. Le pompe di carica occupano un piccolo spazio dello spettro operativo tra gli LDO e i regolatori di commutazione e rappresentano una valida alternativa a progetti che non necessitano dell’induttore. Rispetto agli LDO, le pompe di carica hanno bisogno di un condensatore supplementare (detto “flottante”), ma non degli induttori che in genere sono un pò più costosi, hanno livelli di rumore in uscita più elevati e, solitamente, una corrente di uscita inferiore. Offrono però molti vantaggi rispetto agli LDO, tra cui un’efficienza maggiore, una buona gestione termica grazie all’architettura di commutazione e una maggiore flessibilità nell’aumentare o ridurre la tensione o generare tensioni negative. In confronto ai tradizionali regolatori di commutazione, le pompe di carica hanno una corrente di uscita e un’efficienza inferiori, però sono più semplici da progettare e non hanno bisogno dell’induttore. Inoltre, i progressi tecnologici hanno consentito un ampliamento del range di tensioni di ingresso rispetto alle generazioni precedenti. La Tabella 1 mette a confronto i parametri operativi principali delle varie topologie.

Tabella 1: Confronto tra prestazioni degli LDO, delle pompe di carica e dei regolatori di commutazione

SFIDE IN TERMINI DI PROGETTAZIONE E APPLICAZIONI RELATIVE ALLE POMPE DI CARICA

Sono numerosi gli ambienti industriali dotati di alimentatori ad alta tensione single-ended subito disponibili che, però, non sono adatti per amplificatori operazionali e altri circuiti che richiedono alimentatori bipolari come gli amplificatori operazionali ad alta tensione e basso rumore a doppio rail che richiedono rail da ±15V da una sola alimentazione a +24V. Gli amplificatori operazionali funzionanti vicino al loro rail negativo hanno una distorsione molto scarsa. Pertanto, è consigliabile avere un rail negativo inferiore al livello di segnale più basso in modo da fornire la distorsione più bassa sull’uscita dell’amplificatore operazionale. Il tipo giusto di pompa di carica può soddisfare questa esigenza e generare localmente un’alimentazione di inversione per gestire i rail dell’amplificatore operazionale o altri circuiti sensibili al rumore usando post-regolatori a basso rumore. Molti dispositivi di comunicazione moderni utilizzano ricevitori RF sensibili, ma la combinazione tra generatori di rumore (alimentatori di commutazione) e circuiti sensibili al rumore può provocare potenziali interferenze. La soluzione tradizionale prevedeva di mantenere separati i circuiti sensibili al rumore da quelli che lo generano, ma nei prodotti portatili moderni, dove tutto è molto compattato, non è più possibile faro. La schermatura non è una soluzione pratica per motivi di costo e di dimensioni. Gli alimentatori di commutazione tradizionali concentrano l’energia rumorosa in armoniche a banda stretta. Ma se capita che una di queste armoniche coincida con una frequenza sensibile (ad esempio, la frequenza intermedia di un ricevitore o una banda passante IF), si può verificare un’interferenza. Le pompe di carica offrono soglie di rumore abbastanza basse e possono colmare questa lacuna. Qualsiasi soluzione atta a soddisfare i limiti di progettazione del circuito pompa di carica descritti in precedenza, troverebbe una combinazione tra un’efficiente pompa di carica ad alta tensione e uscite regolate e rumore di uscita basso.

UNA SOLUZIONE NUOVA E SEMPLICE

Per queste applicazioni, sono state sviluppate pompe di cariche monolitiche a inversione ad alta tensione, semplici, ma sofisticate. L’LTC3260 e l’LTC3261 sono pompe di carica versatili. L’LTC3261 è una pompa di carica a inversione ad alta tensione in grado di fornire fino a 100mA di corrente di uscita. L’LTC3260 invece comprende una pompa di carica a inversione e regolatori LDO positivi e negativi, ognuno dei quali fornisce fino a 50mA di corrente di uscita per funzionamento a bassa tensione. Il post-regolatore LDO negativo è alimentato da un’uscita della pompa di carica a inversione. Le tensioni di uscita dell’LDO positivo e negativo possono essere regolate rispettivamente fino a 1,2V e -1,2V, usando partitori resistivi esterni. Entrambi i dispositivi funzionano in un ampio range di tensioni di ingresso comprese tra 4,5V e 32V (consultare le Figure 1 e 2 per maggiori informazioni). La pompa di carica interna dell’LTC3260 e dell’LTC3261 funziona in modalità Burst Mode a bassa corrente di riposo o in modalità a frequenza costante e basso rumore con un rendimento fino all’88%. In modalità Burst Mode l’uscita della pompa di carica viene regolata fino a -0,94 • V_IN. Inoltre, nel funzionamento Burst Mode, l’LTC3261 consuma solo 60 A di corrente di riposo e l’LTC3260 solo 100uA con entrambi gli LDO abilitati. Il funzionamento a frequenza costante offre un basso ripple di ingresso e di uscita; in questa modalità, la pompa di carica produce un’uscita uguale a -V_IN e funziona alla frequenza fissa di 500kHz o a un valore programmato compreso tra 50kHz e 500kHz, utilizzando una resistenza esterna. Altre funzionalità del circuito integrato prevedono un basso numero di componenti esterni, la stabilità fornita dal condensatore ceramico, il circuito soft-start per impedire l’eccessivo flusso di corrente durante l’avvio, la protezione contro i cortocircuiti e la protezione termica. L’LTC3260 e l’LTC3261 sono perfetti per una varietà di applicazioni, quali le alimentazioni bipolari con inversione a basso rumore da un ingresso ad alta tensione, i generatori di polarizzazione a basso rumore industriali o per strumentazione, le apparecchiature medicali portatili e i sistemi di infotainment per il settore automotive. L’LTC3260 è disponibile in un package DFN-14 di 3mm x 4mm a basso profilo (0,75mm) e in un package MSOP-16, entrambi con cuscinetto termico nella parte posteriore. L’LTC3261 è disponibile in un package MSOP-12 con cuscinetto termico nella parte posteriore. Le temperature di giunzione dei due dispositivi sono comprese tra -40°C e +125°C.