Ladungspumpe

Als Ladungspumpe, englisch Charge Pump, werden mehrere unterschiedliche elektrische Schaltungen zusammengefasst, welche elektrische Spannungen im Wert vergrößern oder verkleinern und Gleichspannungen in der Polarität umkehren. Die Ausgangsspannung einer Ladungspumpe ist immer eine Gleichspannung. Sofern auch die Eingangsspannung eine Gleichspannung ist, zählt die Ladungspumpe zu den Gleichspannungswandlern. Ladungspumpen kommen als wesentliches Merkmal ohne magnetische Bauelemente wie Spulen oder Transformatoren aus.

Ladungspumpen transportieren die elektrische Ladung mit Hilfe von elektrischen Kondensatoren und durch periodische Umschaltung mit Schaltern, womit unterschiedlich hohe elektrische Ausgangsspannungen erzeugt werden können. Die Verfahren sind ähnlich, wie wenn Wasser mit Eimern von einem niedrigen Ort zu einem höheren Ort befördert und dort mit höherer potentieller Energie gesammelt wird.

Ladungspumpen kommen dort als Spannungswandler zum Einsatz, wo keine großen Ausgangströme erforderlich sind oder wo keine geeigneten magnetischen Bauelemente wie Spulen eingesetzt werden können.

Speisung

Wechselspannung

Werden Ladungspumpen mit Wechselspannung gespeist, so werden sie auch zu den Gleichrichtern mit Spannungsverdopplung wie die Greinacher-Schaltung gezählt. Werden die Schaltelemente – üblicherweise Dioden, die durch Potentialunterschiede schalten – mehrfach kaskadiert, können sehr hohe Gleichspannungen erzeugt werden und die Schaltung wird als Hochspannungskaskade bezeichnet. Anwendungen liegen im Bereich von Röhrenfernsehern/ -monitoren, Laserdruckern zur Hochspannungserzeugung für die Aufbringung des Toners auf das Papier, in Hochspannungslabors oder als Teil von Teilchenbeschleunigern wie dem Cockcroft-Walton-Beschleuniger.

→ Hauptartikel: Spannungsverdoppler

Gleichspannung

Die Ladungspumpe als Gleichspannungswandler (englisch DC-DC Converter) wird mit Gleichspannung gespeist und erzeugt je nach Schaltungstyp entweder eine höhere Gleichspannung als die Eingangsspannung mit gleicher Polarität oder eine negative Ausgangsspannung. Zum periodischen Umschalten der Schalter benötigten diese Ladungspumpen einen Oszillator oder einen extern zugeführten periodischen Umschaltimpuls.

Als Schalter werden Kombinationen von aktiv gesteuerten Transistoren – üblich sind Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren – und Dioden als potentialgesteuerten Schaltern eingesetzt. Bei kleinen Leistungen lassen sich diese Bauelemente gemeinsam mit den Kondensatoren direkt in den integrierten Schaltungen unterbringen. Die Schaltfrequenzen liegen zwischen 100 kHz und einigen Megahertz.

Im Folgenden werden beispielhafte Schaltungen von Ladungspumpen mit Gleichspannungsspeisung für positive oder negative Ausgangsspannungen beschrieben.

Positive Ausgangsspannungen

Spannungsverdopplung

Ladungspumpe zur Spannungsverdopplung

In nebenstehender Schaltskizze ist eine Ladungspumpe zur Gleichspannungsverdopplung dargestellt. Die links zugeführte Gleichspannung U_e wird in eine positive Gleichspannung U_a mit dem Wert

$U_{a}=2\cdot U_{e}-2\cdot U_{D}$

umgewandelt. Die Spannung U_D ist die Flussspannung einer Diode und beträgt bei Silizium-Dioden ca. 0,7 V. Der schematisch eingezeichnete Schalter S ist in Wirklichkeit eine Gegentaktendstufe (CMOS-Inverter); er wird mit einer bestimmten, von einem Oszillator gelieferten Schaltfrequenz periodisch zwischen den beiden Schaltzuständen umgeschaltet.

Im ersten Zustand befindet sich der Schalter S in der eingezeichneten Position und lädt den Pumpkondensator C₁ über die Diode D₁ auf die Eingangsspannung U_E auf. Wegen des Spannungsabfalls über der Diode (Flussspannung) wird der Pumpkondensator auf etwas weniger als die volle Eingangsspannung aufgeladen. Danach wird der Schalter nach oben geschaltet. Dann liegen die Eingangsspannung und die Spannung an C₁ in Reihe, womit D₁ in Sperrrichtung liegt und D₂ leitend wird. Dadurch wird Ausgangskondensator C₂ auf etwas weniger als 2·U_E aufgeladen. Danach wiederholt sich der Zyklus.

Der Schalter S wird durch Transistoren realisiert und verkörpert einen Wechselrichter, zu weiteren Schaltungstopologien siehe daher auch unter Spannungsverdoppler.

Spannungsvervielfachung

Ladungspumpe in Kaskadenschaltung

Obige Schaltung kann durch eine Kaskadierung auch dazu verwendet werden, höhere als die doppelte Eingangsspannung zu liefern, wie in nebenstehender Abbildung dargestellt. Die Ausgangsspannung beträgt bei dieser Schaltung:

$U_{a}=3\cdot U_{e}-4\cdot U_{D}$

Die Funktion des linken Teils der Schaltung – also bis zum Knotenpunkt an C₂ und D₂ – ist identisch zur Schaltung für die einfache Spannungsverdopplung. Der zusätzlich eingefügte Pumpkondensator C₃ wird über D₃ auf ca. die doppelte Eingangsspannung aufgeladen und im nächsten Zyklus addiert sich die Eingangsspannung U_e zu der Spannung an C₃ zu ca. der dreifachen Eingangsspannung.

Der Schalter S wird durch Transistoren realisiert und verkörpert einen Wechselrichter. Zur Schaltungstopologie siehe daher auch bei Hochspannungskaskade.

Dickson-Ladungspumpe

Grundprinzip Dickson-Ladungspumpe

Eine geringfügige Erweiterung der kaskadierten Ladungspumpe führt zu der als Dickson-Ladungspumpe bezeichneten Schaltung, deren Schaltprinzip insbesondere im Bereich von integrierten Schaltungen eine Rolle spielt. Dabei werden statt eines Umschalters S bzw. einer CMOS-Stufe zwei phasenverschobene Taktsignale, wie in nebenstehender Skizze als Φ1 und Φ2 dargestellt, verwendet.

Dickson-Ladungspumpe mit MOSFETs

Dickson-Ladungspumpe mit zusätzlichen Schalttransistoren zur Effizienzsteigerung

Die Dickson-Ladungspumpe wird vor allem im Bereich integrierter Schaltungen verwendet, die von einer geringen Batteriespannung, beispielsweise von 1 V bis 1,5 V, aus arbeiten und die für die im IC notwendigen höheren Spannungen wie 3,3 V erzeugen. Nachteilig an der Grundform ist die pro Diode abfallende Flussspannung, welche bei diesen geringen Spannungen einen Betrieb verhindert. Daher werden die Dioden durch Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) wie in zweiter Schaltung ersetzt.

Zwar ist der Spannungsabfall an den MOSFETs geringer als die Flussspannung von rund 0,7 V bei Silizium-Dioden, allerdings werden in diesem Fall die MOSFETs im linearen Bereich betrieben, was noch immer zu Spannungsverlusten von rund 0,3 V pro MOSFETs führt. Bei beispielsweise einer Dickson-Ladungspumpe mit fünf MOSFETs und einer Eingangsspannung von 1,5 V wird nur eine tatsächliche Ausgangsspannung knapp über 2 V erreicht. Durch Parallelschalten von zusätzlichen MOSFETs, die als Schalter dienen, wie in darunter stehender Abbildung dargestellt und deren Gate-Spannung von höheren Spannungszweigen aus gewonnen wird, lässt sich in diesem Fall eine Ausgangsspannung von rund 4 V erzielen. Der Spannungsabfall pro Stufe liegt in diesem Fall bei rund 0,15 V. Das ist für den Betrieb üblicher CMOS-Schaltungen im Regelfall ausreichend.

Darüber hinaus existieren noch über die Dickson-Ladungspumpe hinausgehende Erweiterungen, wie die Mandal-Sarpeshkar-Ladungspumpe welche die in diesem Fall störende Schwellenspannung der MOSFETs in der Auswirkung weiter reduziert. Die Umeda-Ladungspumpe und die Nakamoto-Ladungspumpe vermeidet den Effekt der Schwellenspannung der MOSFETs gänzlich, benötigt aber im ersten Fall eine zusätzliche, von extern zugeführte höhere Spannung, welche nicht in allen Anwendungen zur Verfügung steht. Die Nakamoto-Ladungspumpe erzeugt sich diese höhere Hilfsspannung intern, ist aber mit einem deutlich höheren Schaltungsaufwand verbunden.

Negative Ausgangsspannungen

Spannungsinvertierung

Schaltung zur Spannungsinvertierung

Ladungspumpen können auch zur Spannungsinvertierung eingesetzt werden. Damit wird eine negative Gleichspannung mit einem Spannungswert unterhalb des Bezugspotentials zur symmetrischen Speisung von beispielsweise Operationsverstärkern gewonnen.

In nebenstehender Schaltskizze befindet sich der Schalter S zunächst in der eingezeichneten Grundstellung und lädt den Pumpkondensator C₁ über die Diode D₁ auf die Eingangsspannung auf. Danach wird die positive Seite von C₁ durch Umschalten von S auf Bezugspotential (Masse) geschaltet, womit die andere Kondensatorplatte eine gegenüber Masse negative Spannung annimmt. Dadurch sperrt D₁ während der Ausgangskondensator C₂ über D₂ auf die negative Ausgangsspannung aufgeladen wird. Die Ausgangsspannung beträgt in diesem Fall:

$U_{a}=-U_{e}+2\cdot U_{D}$

Eine seit Mitte der 1980er Jahre angebotene, somit als klassisch zu bezeichnende integrierte Ladungspumpe für die Erzeugung von −5 V aus +5 V ist der integrierte Schaltkreis *7660, als ICL7660 von Intersil eingeführt. Hier werden Schalter und Dioden durch Transistoren gebildet, ein intern erzeugter Takt von 10 kHz steuert alle aktiven Bauteile. Da die Kondensatoren nicht integrierbar sind, müssen sie extern angeschlossen werden. Während C2 oft ohnehin in der Schaltung vorhanden ist, betrifft das insbesondere C1, der eine übliche Größe 10 µF hat. Manche Hersteller bieten 7660 mit bis 12 V erweitertem Betriebsspannungsbereich, die dann dementsprechend auch −12 V erzeugen können.

Invertierte Spannungsvervielfachung

Negative Spannungsvervielfachung mit Kaskade

Wie bei positiver Spannungsvervielfachung kann auch die Schaltung zur invertierten Spannungsvervielfachung kaskadiert werden, um so betragsmäßig höhere Ausgangsspannungen als die Eingangsspannung zu erhalten. Die Schaltung ist dabei wieder im linken Teil identisch zum einfachen Inverter und wird durch einen zusätzlichen Pumpkondensator C₂ ergänzt. Die Ausgangsspannung beträgt in diesem Fall:

$U_{a}=-2\cdot U_{e}+4\cdot U_{D}$

Um die Verluste zufolge der Flussspannungen U_D der Dioden zu vermeiden, werden in integrierten Schaltungen typischerweise alle Schalter in Form von gesteuerten Feldeffekttransistoren mit möglichst kleinen R_DS(on) ausgeführt. Um die Umladeverluste in den Kondensatoren möglichst klein zu halten, werden die Kapazitäten möglichst groß, bei Bedarf bei integrierten Schaltungen in Form von externen Kondensatoren, und die Schaltfrequenzen möglichst hoch gewählt.

Anwendungsbeispiele

RS232-Pegelwandlung

Zur Kommunikation über eine serielle Schnittstelle nach EIA-232 (RS232) sind Signalpegel von ±12 V erforderlich. Viele digitale Schaltungen arbeiten aber mit einer Versorgungsspannung von 5 V oder weniger. Um auf eine zusätzliche Spannungsquelle von ±12 V verzichten zu können, werden Ladungspumpen zur Spannungsvervielfachung und zur Spannungsinvertierung im Schnittstellenbaustein eingesetzt. Dabei werden aus den 5 V Betriebsspannung zunächst durch Verdoppeln 10 V gewonnen und nachfolgend durch Spannungsinvertierung die −10 V erzeugt. Die erzeugten Spannungen von ±10 V liegen innerhalb des Toleranzfeldes der RS232 und sind daher ausreichend.

Solche Pegelwandler-ICs enthalten in der Regel alle Komponenten der Ladungspumpe mit Ausnahme der Kondensatoren, die in der erforderlichen Kapazität nicht bei allen integrierten Schaltkreisen direkt am Substrat integriert werden können. Ein verbreiteter Schaltkreis dieser Art ist der MAX232 von Maxim Integrated Products und seine Nachfolgetypen.

Programmierspannungserzeugung

Eine weitere Anwendung von Ladungspumpen ist die Erzeugung der für die Programmierung von Flash-Speicher notwendigen Programmierspannung im Bereich von 10 V bis 15 V. Zum Beschreiben der Floating Gates der einzelnen Speicherzellen werden höhere Spannungen benötigt als die üblicherweise von außen dem Speicherchip zugeführten 3,3 V. Diese höhere Programmierspannung wird dabei direkt auf dem Speicherchip in Form einer kleinen Ladungspumpe mit integrierten Kondensatoren erzeugt. Die Kapazitäten der Kondensatoren sind dabei vergleichsweise klein und bewegen sich im Bereich einiger pF – für den Schreibvorgang werden allerdings auch nur geringe Ströme benötigt. Der schaltungstechnische Vorteil besteht darin, dass die Speicherchips mit Hilfe der integrierten Ladungspumpen mit nur einer einzigen Versorgungsspannung versorgt werden können.

Spannungserzeugung im DRAM

Synchrone dynamische Speicher wie die SDRAMs werden üblicherweise mit nur einer Versorgungsspannung betrieben, die je nach Standard bei z. B. 1,5 V für DDR3 liegt. Im SDRAM-Chip werden zur Ansteuerung des Speicherfeldes mehrere unterschiedliche Spannungen benötigt, die teilweise oberhalb der Versorgungsspannung liegen oder negativ sind. Insbesondere sind das die Spannungen für die Wortleitungen, V_PP und V_NWL (V ‚pumped‘ und V ‚negative word line‘). Diese Spannungen liegen in Bereichen von ca. 2,5–3,5 V für V_PP und ca. −1 V bis 0 V für V_NWL (je nach Prozess und Hersteller). Für beide Spannungen werden Ströme bis in den Bereich von 10–100 mA benötigt. Insbesondere für die V_PP-Ladungspumpen, die aufgrund der Spannungsverhältnisse in DDR2 oder DDR3-Speichern zwei- oder dreistufig sein müssen, wird daher im Vergleich zu anderen Spannungsgeneratoren relativ viel Chipfläche benötigt.

Treiber- und Bootstrap-Schaltungen

Ladungspumpen-IC (unten) für den Betrieb des LED-Blitzes eines Smartphones

Ladungspumpen sind in vielen Schaltungen enthalten, in denen höhere Spannungen als die Eingangsspannung benötigt werden oder diese Spannungen ein veränderliches Bezugspotential haben müssen, z. B. in Treiberschaltkreisen zur Ansteuerung von Leistungshalbleiter-Schaltern (Stichworte level shifter, high side switches).

Das ist z. B. dann der Fall, wenn im oberen Schaltzweig einer Brückenschaltung ein NPN- bzw. NMOS-Transistor verwendet werden soll. Oft wird die Ladungspumpe aus der ohnehin vorhandenen Ausgangswechselspannung gespeist und besteht dann nur aus einer Diode und einem Kondensator. Sie wird auch als Bootstrap-Schaltung bezeichnet bzw. der zugehörige Kondensator als Bootstrap-Kondensator.

Literatur

• Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiterschaltungstechnik. 12. Auflage. Springer, 2002, ISBN 3-540-42849-6. 

Weblinks

• Jörg Rehrmann, das neue InterNetzteil- und Konverter-Handbuch
• Java-animierte Kaskade (Verdreifachung)