¿Por qué las bombas de carga solo se usan para aplicaciones de baja corriente?

Por lo general, los elementos más caros (y difíciles de obtener) en un SMPS son los inductores. Por lo tanto, me preguntaba si es posible usar fuentes de alimentación de modo de conmutación sin inductor (es decir, bombas de carga) para casos de uso genéricos, por ejemplo, una fuente de alimentación de mesa, convertidores CC-CC de alta potencia fijos (varios amperios y unos cien vatios de potencia ), etc.

Todos los diseños de bombas de carga que pude encontrar fueron para aplicaciones de baja potencia. ¿Qué le impide a uno diseñar una fuente de alimentación sin inductor de alta potencia? ¿Hay algunas limitaciones físicas inherentes?

Hay dos problemas con tu idea. Una práctica y otra fundamental.

El problema práctico es que por cantidad de condensadores de energía almacenada son más caros que los inductores, y además los capacitores de alta capacidad (electrolíticos) realmente envejecen.

El problema fundamental es que cargar un condensador desde una fuente de voltaje es fundamentalmente con pérdidas (se disipa el calor). Esto puede parecer contrario a la intuición, pero no obstante es cierto. (Hubo una pregunta sobre esto hace algún tiempo). Por lo tanto, un convertidor de voltaje de condensador volador, incluso uno ideal, es inherentemente ineficiente. (Un convertidor de voltaje ideal basado en inductor es 100% eficiente).

Puede parecer extraño que el mundo sea injusto para los condensadores, pero esa es nuestra culpa humana: suministramos energía principalmente de fuentes de voltaje. Para las fuentes de corriente, lo inverso es cierto: un convertidor de corriente ideal de condensadores voladores puede ser 100% eficiente, mientras que uno de inductores debe ser necesariamente con pérdidas.

Los condensadores serían mejores si la fuente y la salida fueran de corriente constante. Puede cargar el condensador hasta que el voltaje se elevó a un cierto nivel, luego descargar el condensador en la impedancia de carga para mantener una corriente de salida constante. Usaría un inductor grande como filtro de salida para mantener constante la corriente de salida.

Dado que nuestras fuentes son de voltaje constante y generalmente queremos un voltaje de salida constante, el uso de inductores para almacenar energía y condensadores para filtrarlo tiene más sentido.

Tenga en cuenta que todos los equipos de conmutación eficientes tienen ambos condensadores e inductores.

Sí, las bombas de carga (condensador volador) pueden tomar un voltaje y moverlo, voltearlo, incluso multiplicarlo por enteros y similares, pero cada vez que carga o descarga un condensador a través de un interruptor resistivo pierde una parte del cambio de energía del condensador en el propio interruptor: un cambio de voltaje mayor significa más pérdidas. Un interruptor de menor resistencia solo significa que la energía perdida por un cambio de voltaje dado se comprime en un lapso de tiempo más pequeño, el total permanece constante.

Si dos condensadores o series de capacitores con diferentes voltajes están conectados entre sí, sus cargas se promediarán de una manera que reducirá la cantidad de energía almacenada en ellas. Si se conectan mediante un inductor, el exceso de energía se transferirá a ese inductor y, posteriormente, se podrá utilizar para algún propósito útil. Si la conexión es puramente resistiva, la energía se convertirá al 100% en calor. Minimizar la resistencia no reducirá la pérdida de energía; simplemente reducirá la cantidad de tiempo requerido para que ocurra.

En consecuencia, para que una bomba de carga sea eficiente, los condensadores deben ser lo suficientemente grandes como para que el voltaje a través de ellos nunca varíe demasiado. En los casos en que una bomba de carga no necesita transportar mucha energía, se puede usar un regulador lineal en la salida y aumentar el voltaje lo suficiente como para que en las peores condiciones de ondulación el voltaje de salida aún sea lo suficientemente alto como para mantener la regulación, pero la eficiencia estará limitado por la relación de la tensión de carga multiplicada por la relación de refuerzo con la tensión de la fuente.

Hay algunos problemas con las bombas de carga.

1. No pueden ofrecer eficiencia y regulación de voltaje al mismo tiempo. La única forma de regular el voltaje de salida para que permanezca constante durante las variaciones de voltaje de entrada y las variaciones de carga es introducir una ineficiencia deliberada.
2. La corriente debe pasar a través de dos elementos de conmutación (diodos o transistores) durante las partes de carga y descarga del ciclo (mientras que con un convertidor reductor o de refuerzo solo necesita pasar a través de un elemento de conmutación a la vez).
3. La eficiencia depende en gran medida de la relación de voltaje de entrada a salida deseada. Si quiere hacer un convertidor de voltaje de 1.5x, entonces tendría que usar un arreglo complejo de múltiples etapas o hacer un convertidor de 2x y ejecutarlo en un modo deliberadamente ineficiente.