Warum werden Ladungspumpen nur für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch verwendet?

Typischerweise sind die Induktoren die teuersten (und schwer zu beschaffenden) Elemente in einem SMPS. Daher habe ich mich gefragt, ob es möglich ist, Schaltnetzteile ohne Induktor (dh Ladungspumpen) für allgemeine Anwendungsfälle zu verwenden, z. B. ein Tischnetzteil, feste Hochleistungs-DC / DC-Wandler (mehrere Ampere und einige hundert Watt Leistung) ), etc.

Alle Ladungspumpendesigns, die ich finden konnte, waren für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch. Was hindert einen daran, ein Hochleistungsnetz ohne Induktivität zu entwickeln? Gibt es einige inhärente physische Einschränkungen?

Es gibt zwei Probleme mit Ihrer Idee. Eine praktische und eine grundlegende.

Das praktische Problem besteht darin, dass pro Menge gespeicherter Energie Kondensatoren teurer sind als Induktivitäten, und obendrein altern die Kondensatoren mit wirklich hoher Kapazität (Elektrolyt).

Das grundlegende Problem besteht darin, dass das Laden eines Kondensators von einer Spannungsquelle grundsätzlich verlustbehaftet ist (Sie leiten Wärme ab). Dies mag kontraintuitiv erscheinen, ist aber dennoch wahr. (Vor einiger Zeit gab es eine Frage dazu.) Daher ist ein Spannungswandler mit fliegendem Kondensator, selbst ein idealer, von Natur aus ineffizient. (Ein idealer Spannungswandler auf Induktorbasis ist zu 100% effizient.)

Sie mögen es seltsam finden, dass die Welt gegenüber Kondensatoren unfair ist, aber das ist unsere menschliche Schuld: Wir liefern Strom hauptsächlich aus Spannungsquellen. Für Stromquellen gilt das Gegenteil: Ein idealer Stromrichter aus fliegenden Kondensatoren kann zu 100% effizient sein, während einer aus Induktivitäten notwendigerweise verlustbehaftet sein muss.

Kondensatoren wären besser, wenn Quelle und Ausgang Konstantstrom wären. Sie können den Kondensator aufladen, bis die Spannung auf ein bestimmtes Niveau angestiegen ist, und dann den Kondensator in die Lastimpedanz entladen, um einen konstanten Ausgangsstrom aufrechtzuerhalten. Sie würden eine große Induktivität als Ausgangsfilter verwenden, um den Ausgangsstrom konstant zu halten.

Da unsere Quellen eine konstante Spannung haben und wir normalerweise eine konstante Ausgangsspannung wünschen, ist es sinnvoller, Induktoren zum Speichern von Energie und Kondensatoren zum Filtern zu verwenden.

Beachten Sie, dass alle effizienten Schaltnetzteile sowohl Kondensatoren als auch Induktivitäten haben.

Ja, Ladungspumpen (fliegender Kondensator) können eine Spannung aufnehmen und bewegen, umdrehen, sogar mit ganzen Zahlen und dergleichen multiplizieren, aber jedes Mal, wenn Sie einen Kondensator über einen Widerstandsschalter laden oder entladen, verlieren Sie einen Teil der Energieänderung des Kondensators im Schalter selbst - eine größere Spannungsänderung bedeutet mehr Verluste. Ein Schalter mit niedrigerem Widerstand bedeutet nur, dass die für eine bestimmte Spannungsänderung verlorene Energie auf eine kleinere Zeitspanne komprimiert wird, die Summe bleibt konstant.

Wenn zwei Kondensatoren oder Reihen von Kondensatoren mit unterschiedlichen Spannungen miteinander verbunden werden, werden ihre Ladungen auf eine Weise gemittelt, die die darin gespeicherte Energiemenge verringert. Wenn sie unter Verwendung eines Induktors angeschlossen werden, wird die überschüssige Energie auf diesen Induktor übertragen und kann anschließend einem nützlichen Zweck zugeführt werden. Wenn die Verbindung rein resistiv ist, wird die Energie zu 100% in Wärme umgewandelt. Durch Minimieren des Widerstands wird der Energieverlust nicht verringert. Dadurch wird lediglich die dafür erforderliche Zeit verkürzt.

Folglich müssen die Kondensatoren groß genug sein, damit eine Ladungspumpe effizient ist, so dass die Spannung über ihnen niemals sehr stark variiert. In Fällen, in denen eine Ladungspumpe nicht viel Energie fördern muss, kann ein linearer Regler am Ausgang verwendet und die Spannung so weit erhöht werden, dass die Ausgangsspannung unter ungünstigsten Welligkeitsbedingungen immer noch hoch genug ist, um die Regelung, aber den Wirkungsgrad aufrechtzuerhalten wird durch das Verhältnis der Lastspannung zum Boost-Verhältnis zur Quellenspannung begrenzt.

Es gibt einige Probleme mit Ladungspumpen.

1. Sie können nicht gleichzeitig Effizienz und Spannungsregelung bieten. Die einzige Möglichkeit, die Ausgangsspannung so zu regeln, dass sie während Schwankungen der Eingangsspannung und der Last konstant bleibt, besteht darin, eine absichtliche Ineffizienz einzuführen.
2. Der Strom muss während des Lade- und Entladeteils des Zyklus durch zwei Schaltelemente (Dioden oder Transistoren) fließen (während bei einem Buck- oder Aufwärtswandler jeweils nur ein Schaltelement durchlaufen werden muss).
3. Der Wirkungsgrad hängt stark vom gewünschten Verhältnis von Eingangs- zu Ausgangsspannung ab. Wenn Sie beispielsweise einen 1,5-fachen Spannungswandler herstellen möchten, müssen Sie entweder eine komplexe mehrstufige Anordnung verwenden oder einen 2-fachen Wandler herstellen und ihn in einem absichtlich ineffizienten Modus betreiben.