Чому зарядні насоси використовуються лише для застосувань низького струму?

Як правило, найдорожчі (і їх важко отримати) елементи SMPS - це індуктори. Таким чином, мені було цікаво, чи можна використовувати джерела живлення без індуктора в режимі комутації (тобто насоси зарядки) для загальних випадків використання, наприклад, джерело живлення на стаціонарному стані, фіксований перетворювач постійного струму високої потужності (кілька ампер і потужність близько сотні Вт ) тощо.

Усі конструкції насосного заряду, які я міг знайти, хоч і були для застосувань малої потужності. Що заважає проектувати джерело живлення без індукторної потужності? Чи є якісь властиві фізичні обмеження?

Є дві проблеми з вашою ідеєю. Один практичний і один фундаментальний.

Практична проблема полягає в тому, що на кількість накопичених енергетичних конденсаторів дорожче індукторів, а крім цього реальні великі ємності конденсаторів (електролітичного) віку.

Фундаментальна проблема полягає в тому, що зарядка конденсатора від джерела напруги принципово втрачає (ви розсіюєте тепло). Це може здатися протиінтуїтивно зрозумілим, але, тим не менш, правдою. (Про це деякий час тому виникало питання.) Отже, перетворювач напруги літаючого конденсатора, навіть ідеальний, за своєю суттю неефективний. (Ідеальний перетворювач напруги на основі індуктора 100% ефективний.)

Вам може здатися дивним, що світ несправедливий до конденсаторів, але це наша вина людини: ми постачаємо живлення здебільшого з джерел напруги. Для джерел струму є зворотним: ідеальний перетворювач струму з літаючих конденсаторів може бути на 100% ефективним, тоді як один від індукторів обов'язково повинен бути втратним.

Конденсатори було б краще, якби джерело і вихід були постійними струмами. Ви можете заряджати конденсатор, поки напруга не підніметься до певного рівня, а потім розрядити конденсатор в навантажувальний опір для підтримки постійного вихідного струму. Ви б використовували великий індуктор як вихідний фільтр, щоб підтримувати постійний вихідний струм.

Оскільки наші джерела постійної напруги і ми зазвичай хочемо постійної вихідної напруги, використання індукторів для зберігання енергії та конденсаторів для фільтрації має більше сенсу.

Зверніть увагу, що всі ефективні комутаційні пристрої мають як конденсатори, так і індуктори.

Так, насосні заряди (літаючий конденсатор) можуть приймати напругу і переміщувати її, перевертати, навіть множити на цілі числа тощо, але кожен раз, коли ви заряджаєте або розряджаєте конденсатор через резистивний вимикач, ви втрачаєте частину зміни енергії конденсатора. в самому вимикачі - більша зміна напруги означає більше втрат. Низький вимикач опору просто означає, що втрачена енергія при заданій зміні напруги стискається на менший відрізок часу, загальна сума залишається постійною.

Якщо два конденсаторів або послідовних струн конденсаторів з різною напругою з'єднані разом, їх заряди будуть середніми таким чином, що зменшується кількість енергії, що зберігається в ньому. Якщо вони з'єднані за допомогою індуктора, надлишок енергії буде переданий цьому індуктору і згодом може бути призначений для певної корисної мети. Якщо з'єднання має чистий опір, енергія буде на 100% перетворюватися на тепло. Мінімізація опору не зменшить втрати енергії; це просто скоротить кількість часу, необхідне для його виникнення.

Отже, для того, щоб зарядний насос був ефективним, конденсатори повинні бути досить великими, щоб напруга на них ніколи не сильно змінювалася. У випадках, коли зарядному насосу не потрібно передавати багато енергії, можна використовувати лінійний регулятор на виході та підвищити напругу достатньо, щоб за найгірших випадків пульсації вихідна напруга все ще була досить високою для підтримки регулювання, але ефективність буде обмежено відношенням напруги навантаження до відношення напруги до джерела напруги.

З насосами заряду є кілька проблем.

1. вони не можуть одночасно запропонувати ефективність та регулювання напруги. Єдиний спосіб регулювати вихідну напругу таким чином, щоб вона залишалася постійною під час зміни вхідної напруги та коливань навантаження - це ввести навмисну ​​неефективність.
2. Струм повинен проходити через два комутаційні елементи (діоди або транзистори) під час як зарядних, так і знеструмлюючих частин циклу (тоді як з перетворювачем долара або підсилювача, йому потрібно проходити одночасно через один перемикаючий елемент).
3. ККД сильно залежить від бажаного співвідношення вхідної та вихідної напруги. Якщо ви хочете сказати перетворювач напруги 1,5х, то вам доведеться або скористатися деяким складним багатоступеневим розташуванням, або зробити 2x перетворювач і запустити його у навмисно неефективному режимі.