Ladungspumpe für Gatetreiber

[Johnny E. (electricjohnny)]

Hallo,

ich möchte einen CMOS-Gatetreiber mit einer kaskadierten Ladungspumpe 
versorgen. Die Ladungspumpe wird über eine LiPoFe4-Zelle 
(2,7V-4V)versorgt.

Die Ladungspumpe wird mittels eines Atmega328p gesteuert. Ich brauche 
mindestens eine Spannungsvervierfachung am Ausgang der Ladunspumpe.
Nun ist die frage wie ich die 4 Dioden und 4 Kondensatoren 
dimensioniere.

Danke im Voraus.

[Falk B. (falk)]

@  Electric Johnny (electricjohnny)

>mindestens eine Spannungsvervierfachung am Ausgang der Ladunspumpe.
>Nun ist die frage wie ich die 4 Dioden und 4 Kondensatoren
>dimensioniere.

Die Dioden mit möglichst kleiner Flußspannung, Schottky ist das Mittel 
der Wahl. BAT48 & Co.
Die Kondensatoren sollen sich pro halber Taktperiode nur wenig entladen, 
sagen wir 10%. Jede Stufe hat als Nennspannung den Spitze-Spitze Wert 
der Eingangsspannung, hier ca. 3V. Sinnvolle Taktfrequenzen liegen im 
Bereich 10-1000 kHz. Sagen wir mal 300kHz. Wenn man mal 50mA als 
Dauerstrom annimmt kommt raus

C = I * t / U = 50mA * 1,5us / 0,3V = 250nF.

Also nimmt man 330nF und gut.

[Johnny E. (electricjohnny)]

Danke für die schnelle und präzise Antwort.

Ist der Strom von 50mA nicht überdimensioniert? Die 
CMOS-Gatetreiberschaltung ist für einen IRLR2905 Leistungstransistor. 
Ich nehme einfach nach der E-Reihe einen kleineren Kondensator von 
220nF, müsste reichen oder?

I = (C*U)/t = (100nF*0,3V)/1,5µs = 44mA

Als Diode nehme ich BAT54 ( Forward Voltage = max. 800mV). Soll 
aufjedenfall ein SMD-Bauteil sein und ist auch in Eagle vorhanden.

Ist dagegen etwas einzuwenden?

Danke.

[Falk B. (falk)]

@  Electric Johnny (electricjohnny)

>Ist der Strom von 50mA nicht überdimensioniert?

Kommt drauf an.

>Die
>CMOS-Gatetreiberschaltung ist für einen IRLR2905 Leistungstransistor.

Wie oft soll der schalten? Der hat max. 48nC Gate Charge. Ladung ist 
Strom mal Zeit

Q = I * t
t = 1 /f

-> f = I / Q = 44mA / 48nC = 917 kHz

Ok, sollte reichen ;-)

>Ich nehme einfach nach der E-Reihe einen kleineren von 220nF, müsste
>reichen.

Wahrscheinlich reicht 1nF, macht dann immer noch ~4kHz.

[Davis (Gast)]

Electric Johnny schrieb:

> Ist dagegen etwas einzuwenden?

Die obige Schaltung eignet sich nur zur Verdreifachung von Ue.

[Johnny E. (electricjohnny)]

Alles klar Danke, ja ne Verdreichfachung reicht :-)

[Toni (Gast)]

Falk:
Bist schon genial drauf :)
Danke für die tolle Erklärung!!!

[Jobst M. (jobstens-de)]

Wenn der Schalter einer der Ausgänge des ATm328 ist, sollten es maximal 
40mA sein. Und ich würde dann einen Widerstand in Reihe dazu setzen, 
denn die Impulsströme sind wesentlich größer!


Gruß

Jobst

[Johnny E. (electricjohnny)]

Kann mir jemand sagen, ob die Berechnung der Ausgangsspannung, bei einer
Eingangsspannung von 2,7V und 4V, richtig ist? An den Dioden fällt
eine Spannung von 0,8V ab. Die Spannung im Highpegel beträgt 2,3V
ausgehend vom µC.

Bei Ue von 2,7V habe ich ein Ua von 5,2V und
bei Ue von 4V ein Ua von 9V berechnet.

Die Schaltung befindet sich im Anhang.
Danke.

[Davis (Gast)]

Electric Johnny schrieb:

> Bei Ue von 2,7V habe ich ein Ua von 5,2V und
> bei Ue von 4V ein Ua von 9V berechnet.

Da hast du dich verrechnet.

[Εrnst B. (ernst)]

Electric Johnny schrieb:
> Alles klar Danke, ja ne Verdreichfachung reicht :-)

Reicht nicht auch ne Verdoppelung?

Der IRLR2905 ist bei 5V komplett durchgeschaltet, bei 4V gehen auch 
schon über 20A durch.

[dionysos 3. (dionysos328)]

Davis schrieb:
> Electric Johnny schrieb:
>
>> Bei Ue von 2,7V habe ich ein Ua von 5,2V und
>> bei Ue von 4V ein Ua von 9V berechnet.
>
> Da hast du dich verrechnet.

Eine sehr hilfreiche Antwort!

Habe ein ähnliches Problem, wie sieht denn die Rechnung für eine 
Verdopplung (Verdreifachung) konkret aus?

[Davis (Gast)]

dionysos 328 schrieb:

> Eine sehr hilfreiche Antwort!

Darum habe ich sie gepostet. Siehe auch: 
Beitrag "Re: Ladungspumpe für Gatetreiber"

[Thomas H. (Gast)]

Hallo,

ich habe eine zweichfachkaskadierte Ladungspumpe vermessen und die 
Ausgangsspannung in Abhängigkeit der Schaltfrequenz untersucht.

Kann mir jemand erklären, wieso die Ausgangsspannung mit steigender 
Schaltfrequenz ansteigt und sie sich ab einer bestimmten Frequenz nicht 
mehr weiter erhöht?

Mit freundlichen Grüßen,
Thomas H.

[Alex (Gast)]

Natürlich kann man so was umständlich selber machen...
Profis nehmen ein modernes MOSFET-Treiber-IC! Da ist die Ladungspumpe 
gleich mit dabei und die Ansteuerung für schnellstes Schalten...

[Alex (Gast)]

OK, bis 2,7V herunter nimmt man einen micropower Boostconverter - und 
der µC ist entlastet. Funktioniert auch dann noch, wenn man auf einen 
debug-break läuft.

[Varun (Gast)]

Alex schrieb:

> Profis nehmen ein modernes MOSFET-Treiber-IC!

Nö. Profis lesen sich den Beitrag durch, bevor sie antworten.

[Abdul K. (ehydra)]

Thomas H. schrieb:
> Hallo,
>
> ich habe eine zweichfachkaskadierte Ladungspumpe vermessen und die
> Ausgangsspannung in Abhängigkeit der Schaltfrequenz untersucht.
>
> Kann mir jemand erklären, wieso die Ausgangsspannung mit steigender
> Schaltfrequenz ansteigt und sie sich ab einer bestimmten Frequenz nicht
> mehr weiter erhöht?
>

Weil:
1. Die Schaltverluste in den Dioden bei steigender Frequenz irgendwann 
alles auffressen.
2. Du vermutlich die Schaltung im Leerlauf betreibst und sie irgendwann 
relativ zu deinem Meßgerät zu niederohmig ist. Im Prinzip wie ne schnöde 
Batteriemessung.

Meß mal mit einem Belastungswiderstand.

[Thomas H. (Gast)]

Danke für die Antwort Abdul.

Ich habe schon bei der beschriebenen Messung am Ausgang verschiedene 
Lastwiederstände eingesetzt, bis 24 kOhm.

Das selbe passiert: Mit steigender Schaltfrequenz steigt die 
Ausgangsspannung bis ein statischer Wert erreicht wird. Dies geschieht 
bei einer Schaltfrequnez von ca. 40kHz.

Erklärung?

[Falk B. (falk)]

@Thomas H. (Gast)

>Das selbe passiert: Mit steigender Schaltfrequenz steigt die
>Ausgangsspannung bis ein statischer Wert erreicht wird. Dies geschieht
>bei einer Schaltfrequnez von ca. 40kHz.

>Erklärung?

Logisch. Die ladungspumpe hat eine Leerlaufspannung bei unendlichem 
Lastwiderstand, welch schlicht durch die Stufenanzahl und 
Eingangsspannung gegeben ist, abzüglich der Diodenverluste. Belastet man 
nun die Ladungspumpe, sinkt die Ausgangsspannung, weil die Kondensatoren 
einen bestimmten, frequenzabhängigen Widerstand haben. Dreht man die 
Frequenz nun hoch, sinkt der Widerstand und die Spannung steigt wieder. 
Es ist, vereinfacht gesprochen ein Spannungsteiler aus dem 
Innenwiderstand der Ladungspumpe (Kondensatoren, frequenzabhängig) und 
dem Lastwiderstand.

Beispiel. 10nF@100kHz sind ~160 Ohm (kapazitiv), damit kann man eine 
recht leistungsfähige Ladungspumpe bei 100 kHz bauen. Bei 50 Hz sind es 
satte 320 KILOOhm, damit ist die Ladungspumpe sehr schwach und kaum 
belastbar.

[Abdul K. (ehydra)]

Kann man auch ausnutzen als Impedanzregelung. Berechnung aber nur 
überschlagsmäßig, da nichtlinear und Oberwellen satt. Also ab zu 
SPICE...

[Thomas H. (Gast)]

Vielen Dank für die Antworten ;-)

[Roberto (Gast)]

Hey Leute!

Ich habe noch ein grundsätzliches Verständnisproblem, vielleicht ist mir 
das zu hoch ;)

Warum ist die Ausgangspannung einer Ladungspumpe z.B. bei 10kHz 
niedriger als bei 100kHz?
Mit welchem Effekt lässt sich dieses Verhalten erklären?

Vielen Dank!

[Falk B. (falk)]

Beitrag "Re: Ladungspumpe für Gatetreiber"