チャージポンプが低電流アプリケーションにのみ使用されるのはなぜですか？

通常、SMPSで最も高価な（そして入手が難しい）要素はインダクタです。したがって、たとえばベンチトップ電源、固定高出力DC-DCコンバーター（数アンペア、数百ワットの電力）など、一般的なユースケースにインダクタレススイッチングモード電源（チャージポンプ）を使用できるかどうか疑問に思いました）など

私が見つけることができたすべてのチャージポンプ設計は、低電力アプリケーション用でした。高出力インダクタレス電源の設計を妨げるものは何ですか？固有の物理的な制限はありますか？

あなたのアイデアには2つの問題があります。1つは実用的で、もう1つは基本です。

実用的な問題は、蓄積されたエネルギーコンデンサの量ごとにインダクタよりも高価であり、その上に本当に大容量のコンデンサ（電解）が古くなることです。

基本的な問題は、電圧源からコンデンサを充電すると基本的に損失が発生することです（熱を放散します）。これは直感に反するように思えるかもしれませんが、それでも事実です。（これについては少し前に質問がありました。）したがって、フライングキャパシタ電圧コンバータは、理想的なものであっても、本質的に非効率的です。（理想的なインダクタベースの電圧コンバータは100％効率的です。）

世界がコンデンサーに不公平であることは奇妙に思えるかもしれませんが、それは私たちの人為的な問題です。私たちは主に電圧源から電力を供給しています。電流源の場合、逆のことが当てはまります。フライングコンデンサからの理想的な電流コンバータは100％効率的ですが、インダクタからの電流コンバータは必ず損失が大きい必要があります。

コンデンサは、ソースと出力が定電流の場合に適しています。一定の出力電流を維持するために、電圧が特定のレベルに上昇するまでコンデンサを充電し、次に負荷インピーダンスにコンデンサを放電できます。出力電流を一定に保つために、大きなインダクタを出力フィルターとして使用します。

ソースは定電圧であり、通常は出力電圧を一定にする必要があるため、インダクタを使用してエネルギーを保存し、コンデンサを使用してそれをフィルタリングする方が理にかなっています。

すべての効率的なスイッチング電源には、コンデンサとインダクタの両方があることに注意してください。

はい、チャージポンプ（フライングコンデンサ）は電圧を取り、それを動かしたり、反転させたり、整数などで乗算したりできますが、抵抗スイッチを介してコンデンサを充電または放電するたびに、コンデンサのエネルギー変化の一部が失われますスイッチ自体で-大きな電圧変化はより多くの損失を意味します。抵抗スイッチが低いということは、特定の電圧変化で失われたエネルギーが短い時間に圧縮され、合計が一定であることを意味します。

異なる電圧の2つのコンデンサまたはコンデンサの直列ストリングが一緒に接続されている場合、それらの電荷は、そこに蓄積されるエネルギー量を減らす方法で平均化されます。それらがインダクタを使用して接続されている場合、過剰なエネルギーはそのインダクタに転送され、その後何らかの有用な目的に使用される可能性があります。接続が完全に抵抗性の場合、エネルギーは熱に100％変換されます。抵抗を最小化しても、エネルギー損失は減少しません。発生するのに必要な時間を短縮するだけです。

したがって、チャージポンプを効率的にするには、コンデンサの電圧が大きく変化しないようにコンデンサを大きくする必要があります。チャージポンプが多くのエネルギーを伝達する必要がない場合、出力でリニアレギュレータを使用し、最悪のリップル条件の下で出力電圧がレギュレーションを維持するのに十分な高さになるように十分に電圧を上げることができますが、効率負荷電圧とブースト比とソース電圧の比によって制限されます。

チャージポンプにはいくつかの問題があります。

1. 効率と電圧調整を同時に提供することはできません。入力電圧の変動と負荷の変動の間、出力電圧を一定に保つための唯一の方法は、意図的な非効率性を導入することです。
2. 電流は、サイクルの充電部分と放電部分の両方で2つのスイッチング素子（ダイオードまたはトランジスタ）を通過する必要があります（一方、バックまたはブーストコンバーターでは、一度に1つのスイッチング素子のみを通過する必要があります）。
3. 効率は、目的の入力と出力の電圧比に大きく依存します。たとえば1.5倍の電圧コンバーターを使用する場合は、複雑なマルチステージ構成を使用するか、2倍のコンバーターを作成して、意図的に非効率的なモードで実行する必要があります。