Por que as bombas de carga são usadas apenas para aplicações de baixa corrente?

Normalmente, os elementos mais caros (e difíceis de obter) em um SMPS são os indutores. Assim, fiquei pensando se é possível usar fontes de alimentação de modo de comutação sem indutor (ou seja, bombas de carga) para casos de uso genéricos, por exemplo, uma fonte de alimentação de bancada, conversores DC-DC fixos de alta potência (vários amperes e centenas de watts de potência) ) etc.

Todos os projetos de bombas de carga que pude encontrar foram para aplicações de baixa potência. O que impede alguém de projetar uma fonte de alimentação sem indutor de alta potência? Existem algumas limitações físicas inerentes?

Há dois problemas com sua ideia. Um prático e outro fundamental.

O problema prático é que, por quantidade de capacitores de energia armazenada, é mais caro que os indutores e, além disso, os capacitores de alta capacidade (eletrolíticos) realmente envelhecem.

O problema fundamental é que carregar um capacitor de uma fonte de tensão é fundamentalmente com perdas (você dissipa o calor). Isso pode parecer contra-intuitivo, mas é verdade. (Houve uma pergunta sobre isso há algum tempo.) Portanto, um conversor de tensão de capacitor voador, mesmo o ideal, é inerentemente ineficiente. (Um conversor de tensão ideal baseado em indutor é 100% eficiente.)

Você pode achar estranho que o mundo seja injusto com os capacitores, mas isso é culpa nossa: fornecemos energia principalmente de fontes de tensão. Para fontes de corrente, o inverso é verdadeiro: um conversor de corrente ideal de capacitores voadores pode ser 100% eficiente, enquanto um de indutores deve necessariamente ter perdas.

Os capacitores seriam melhores se a fonte e a saída fossem uma corrente constante. Você pode carregar o capacitor até que a tensão suba para um determinado nível e depois descarregá-lo na impedância de carga para manter uma corrente de saída constante. Você usaria um grande indutor como filtro de saída para manter a corrente de saída constante.

Como nossas fontes têm tensão constante e geralmente queremos tensão de saída constante, o uso de indutores para armazenar energia e capacitores para filtrar faz mais sentido.

Note-se que todas as fontes de comutação eficientes têm ambos os capacitores e indutores.

Sim, as bombas de carga (capacitor voador) podem tomar uma voltagem e movê-la, girá-la e até multiplicá-la por números inteiros e similares, mas toda vez que você carrega ou descarrega um capacitor através de um interruptor resistivo, perde uma parte da mudança de energia do capacitor no próprio interruptor - uma mudança de tensão maior significa mais perdas. Uma chave de resistência mais baixa significa apenas que a energia perdida para uma determinada mudança de tensão é compactada em uma fatia menor de tempo, o total permanece constante.

Se dois capacitores ou séries de capacitores com voltagens diferentes forem conectados juntos, suas cargas serão calculadas em média de uma maneira que reduz a quantidade de energia armazenada nele. Se eles estiverem conectados usando um indutor, o excesso de energia será transferido para esse indutor e poderá ser posteriormente utilizado para algum propósito útil. Se a conexão for puramente resistiva, a energia será 100% convertida em calor. Minimizar a resistência não reduzirá a perda de energia; apenas reduzirá a quantidade de tempo necessária para ocorrer.

Consequentemente, para que uma bomba de carga seja eficiente, os capacitores precisam ser grandes o suficiente para que a tensão entre eles nunca varie muito. Nos casos em que uma bomba de carga não precisa transmitir muita energia, pode-se usar um regulador linear na saída e aumentar a tensão o suficiente para que, nas piores condições de ondulação, a tensão de saída ainda seja alta o suficiente para manter a regulação, mas a eficiência será limitado pela proporção da tensão de carga vezes a taxa de aumento da tensão da fonte.

Existem alguns problemas com as bombas de carga.

1. eles não podem oferecer eficiência e regulação de tensão ao mesmo tempo. A única maneira de regular a tensão de saída para que ela permaneça constante durante as variações de tensão de entrada e de carga é introduzir ineficiência deliberada.
2. A corrente deve passar por dois elementos de comutação (diodos ou transistores) durante as partes de carregamento e descarregamento do ciclo (enquanto que com um conversor buck ou boost apenas precisa passar por um elemento de comutação por vez).
3. A eficiência é altamente dependente da taxa de tensão de entrada / saída desejada. Se você quer dizer um conversor de tensão de 1,5x, você precisa usar algum arranjo complexo de várias etapas ou fazer um conversor 2x e executá-lo em um modo deliberadamente ineficiente.