負電圧の基礎：チャージポンプの実装

[Tsuneharu_Fuji]

チャージポンプは、コンデンサの充放電のみによって電荷を転送する、インダクタを使用しないDC/DCコンバータのトポロジです。

TPS60403 を例に挙げます。以下に示すのは、反転型スイッチドキャパシタチャージポンプの主要部の等価モデルであり、TPS60400 ICの内部回路に対応しています。

（画像出典：Texas Instruments、TI）

主要部品：フライングコンデンサ（C_fly）

このコンデンサは、エネルギー伝達媒体として機能します。ICは、2つの動作フェーズにおいて、フライングコンデンサの充電と逆極性での放電を交互に行うことで、出力側に負電圧を生成します。動作中は、パワーインダクタやショットキーフリーホイールダイオードは一切必要ありません。

TPS60400 は、TIのスイッチドキャパシタ方式の負電圧チャージポンプです。インダクタを使用せず、コンデンサを介して電荷を転送することで、正の入力電圧から、それと大きさが等しい負の出力電圧を供給します。オペアンプ、DAC、電圧リファレンスなどの低電流アナログ負荷に、負電源レールを供給するように設計されています。

（出典：Texas Instruments、TI）

3つの重要なコンデンサの機能

3つのコンデンサは、いずれも低ESRのX7Rセラミックコンデンサである必要があります。

1. 入力コンデンサ C_I（IN～GND間、1 µF）

   チップ内部のスイッチングによって発生する高周波の入力スパイクをフィルタリングし、上流側の電源を安定させます。入力ケーブルが長い設計では必須です。

2. フライングコンデンサ C_fly（ピン5～ピン3間、1 µF）

   電荷転送の中核となる部品です。2つのスイッチングフェーズにわたる電荷の移動を担い、負電圧を生成するための唯一のエネルギー蓄積素子として機能します。

3. 出力コンデンサ C_O（OUT～GND間、1 µF）

   負の出力電圧のリップルを平滑化し、負荷に電力を供給するための電荷を蓄積します。静電容量が大きいほど、出力リップルは小さくなります。

主要回路の利点

1. インダクタレス設計：磁性部品を使用しないため、EMI放射が極めて低くなります。RF回路や高精度アナログフロントエンドに最適です。
2. 周辺部品が最小限：表面実装セラミックコンデンサが3個のみであるため、PCB上の占有面積を非常に小さくできます。

関連資料

TPS60403データシート

関連部品

TPS60403：非安定化チャージポンプ負電圧インバータ

入力電圧範囲：1.6V～5.5V、最大負出力電流：60mA。

外付けコンデンサはわずか3個で済み、コンパクトなサイズです。オペアンプやLCDパネルの低電流バイアス電源に適しています。

負電圧の基礎に関する関連記事

• 負電圧の基礎：負電圧とは？
• 負電圧の基礎：通信回路における電圧
• 負電圧の基礎：オペアンプやオーディオ用アナログ回路に正負の電源が必要な理由
• 負電圧の基礎：チャージポンプの実装
• 負電圧の基礎：降圧回路における正負電圧の設計
• 負電圧の基礎：高精度オペアンプによる交流信号増幅のための負電源レール

オリジナル・ソース（English）