Normalmente os conversores DC-DC fazem uso de topologias que empregam indutores para se obter um dispositivo de armazenamento de energia que é usada para gerar a tensão maior de saída. No entanto, os indutores são componentes problemáticos em algumas aplicações, como as automotivas. Assim, havendo a possibilidade de se ter uma conversão sem indutor, a solução torna-se atraente em muitas aplicações. Neste artigo, baseado num Application Note da Maxim (www.maxim-ic.com) mostramos como é possível desenvolver estes conversores. A atualização do artigo de 2012 mostra que estas configurações ainda são amplamente utilizadas na prática.
A idéia básica para se obter tensões maiores a partir de fontes de tensões menores sem o uso de indutores é a que se baseia nas bombas de cargas (charge pumps). A grande vantagem na utilização desta topologia está na sua simplicidade e eficiência, que é um requisito muito importante principalmente nos equipamentos portáteis. A vantagem principal no uso das bombas de carga está na não necessidade de se usar indutores ou semicondutores adicionais.
As Bombas de Carga
Os conversores DC/DC que fazem uso desta tecnologia empregam normalmente capacitores cerâmicos ou eletrolíticos, dependendo da quantidade de energia que deve ser armazenada e, portanto da potência da carga que deve ser alimentada.
Diferentemente dos indutores, entretanto, os capacitores não podem alterar a tensão entre seus terminais de forma abrupta como ocorre com os indutores. Basta desligar um indutor, para que a contração das linhas do campo criado gere uma tensão maior do que aquela que criou este campo. No caso dos capacitores, ao serem desligados, temos sempre uma queda exponencial da tensão entre seus terminais.
A idéia básica de uma bomba de cargas é comutar periodicamente capacitores que se carregam em paralelo e descarregam em série. Assim, a tensão de entrada (carga) fica multiplicada por dois na descarga. Para esta comutação devem ser usados circuitos com componentes ativos. Outra possibilidade de uso para as bombas de carga consiste em se fazer a carga dos capacitores com uma polaridade e descarregá-los na carga com a polaridade invertida. Temos neste caso um circuito conversor DC/DC que inverte a polaridade de uma fonte. Um exemplo deste tipo de circuito é mostrado na figura 1.
O sinal de clock na entrada determina a freqüência do chaveamento dos capacitores. Esta freqüência vai depender da corrente na carga e dos valores dos capacitores usados. No circuito mostrado temos a inversão da polaridade da tensão de entrada, com a manutenção de seu valor. Alterações neste circuito permitem que ele seja usado para dobrar ou dividir por dois a tensão de entrada.
No comércio existem circuitos integrados que já possuem esta configuração completa possibilitando assim a implementação dos conversores de uma forma simples, barata e rápida. Dentre eles podemos destacar os MAX600, MAX860, MAX861, MAX1680 e MAX1681 que operam com freqüências elevadas, possibilitando assim o uso de capacitores de valores pequenos. As chaves internas para maior rendimento possuem baixa resistência de condução.
Divisor de Tensão Capacitivo
Uma outra possibilidade de aplicação consiste em se dividir por dois a tensão de entrada ao mesmo tempo que se dobra a capacidade de fornecimento de corrente do circuito. Podemos citar como exemplo as interfaces de 4 - 20 mA usadas em aquisição de dados e redes com sensores. Outra aplicação é na alimentação de amplificadores operacionais das novas gerações que podem operar com tensões muito baixas. Uma configuração básica para este tipo de aplicação é mostrada na figura 2. Este circuito básico, divide por dois a tensão de entrada usando um divisor capacitivo formado pelos capacitores C3, C4, C5 e C6. Nele, os capacitores carregam-se em série e descarregam-se em paralelo. Assim, comutando estes capacitores alternadamente obtém-se na carga metade da tensão de entrada.
O circuito integrado usado, MAX820, possui internamente os elementos necessário a este tipo de comutação, podendo fornecer correntes de saída superando 1 mA com uma eficiência maior do que 90%. A freqüência de comutação do circuito é de 35 kHz e a corrente quiescente de apenas 35 uA. Neste circuito prático, a máxima tensão de entrada é de 5,5 V.
Bombas de Carga Reguladas
Nas aplicações modernas não basta apenas termos um circuito inversor que altere uma tensão. Para aplicações críticas, a tensão de saída precisa ser regulada. Atualmente estão disponíveis no mercado diversos circuitos integrados de inversores deste tipo que já possuem recursos para a regulagem da tensão de saída. Estes circuitos possuem componentes que fazem a compensação da freqüência de modo a se obter uma variação da tensão de saída de acordo com uma referência, mantendo-a assim num determinado valor. Um destes circuitos é mostrado na figura 3.
Este circuito fornece uma tensão de saída fixa de 5 V com uma corrente máxima de 250 mA a partir de tensões de entrada de 2,7 V a 5,5 V.
Inversor Regulado
Uma aplicação importante que é usada em algumas aplicações é a do inversor regulado, um inversor que fornece uma tensão negativa regulada a partir de uma tensão de entrada positiva. Um exemplo deste tipo de circuito é mostrado na figura 4. O circuito apresentado fornece uma tensão negativa de 5 V a partir de uma tensão de entrada positiva de 5 V.
Observe que neste circuito, que opera em 450 kHz com uma MAX868 existe um comparador interno que amostra a tensão de saída a partir de uma referência de modo a controlar o oscilador. Este controle, atuando sobre o ciclo ativo do sinal, possibilita um controle eficiente da tensão de saída.
Conclusão
O aspecto atraente destas configurações está no fato delas não necessitarem de indutores na saída. Indutores são componentes problemáticos, principalmente nas aplicações que exigem maiores correntes o que faz de sua eliminação um ponto importante de um projeto. O uso de bombas de cargas, que trabalham exclusivamente com capacitores possibilita o desenvolvimento de topologias que tanto podem inverter a polaridade de uma tensão como podem alterar seu valor dobrando-o ou reduzindo-o à metade. A regulagem é também um recurso importante que pode ser implementado nesta topologia.
