Kako se DC-DC tehnologije suočavaju s izazovima dizajna napajanja: 3 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:07

Analizirat ću kako DC-DC Technologies zadovoljava izazovne dizajne napajanja.

Projektanti elektroenergetskih sistema suočavaju se sa stalnim pritiskom tržišta da pronađu načine kako iskoristiti svu raspoloživu energiju. U prijenosnim uređajima veća učinkovitost produžava vijek trajanja baterije i stavlja više funkcionalnosti u manja pakiranja. U serverima i baznim stanicama, povećanje efikasnosti može direktno uštedjeti infrastrukturu (rashladni sistemi) i operativne troškove (računi za električnu energiju). Kako bi zadovoljili zahtjeve tržišta, dizajneri sistema poboljšavaju procese pretvaranja energije u više područja, uključujući efikasnije topologije prebacivanja, inovacije u paketima i nove poluvodičke uređaje na bazi silicijevog karbida (SiC) i galijevog nitrida (GaN).

Korak 1: Poboljšanje topologije prekidačkog pretvarača

Kako bi u potpunosti iskoristili dostupnu snagu, ljudi sve više usvajaju dizajne zasnovane na tehnologiji prebacivanja, a ne na linearnoj tehnologiji. Uklopno napajanje (SMPS) ima efektivnu snagu veću od 90%. Ovo produžava vijek trajanja baterija prijenosnih sistema, smanjuje troškove električne energije za veliku opremu i štedi prostor koji se prethodno koristio za komponente hladnjaka.

Prelazak na preklopljenu topologiju ima određene nedostatke, a složeniji dizajn zahtijeva od dizajnera više vještina. Inženjeri dizajna moraju poznavati analogne i digitalne tehnologije, elektromagnetiku i upravljanje zatvorenom petljom. Dizajneri štampanih ploča (PCB -i) moraju obratiti više pažnje na elektromagnetske smetnje (EMI) jer visokofrekventni komutacijski talasni oblici mogu uzrokovati probleme u osjetljivim analognim i RF krugovima.

Prije izuma tranzistora, predložen je osnovni koncept pretvaranja snage u komutiranom načinu rada: na primjer, sistem induktivnog pražnjenja tipa Kate izumljen 1910. godine, koji je koristio mehanički vibrator za implementaciju povratnog pretvarača za automobilski sistem paljenja.

Većina standardnih topologija postoji već desetljećima, ali to ne znači da inženjeri ne prilagođavaju standardni dizajn kako bi se prilagodili novim aplikacijama, posebno kontrolnim petljama. Standardna arhitektura koristi fiksnu frekvenciju za održavanje konstantnog izlaznog napona vraćanjem dijela izlaznog napona (kontrola naponskog načina) ili kontrolom inducirane struje (kontrola trenutnog načina rada) pod različitim uvjetima opterećenja. Dizajneri se stalno poboljšavaju kako bi prevladali nedostatke osnovnog dizajna.

Slika 1 je blok dijagram osnovnog sistema upravljanja naponom zatvorene petlje (VMC). Stupanj napajanja sastoji se od prekidača za napajanje i izlaznog filtera. Kompenzacijski blok uključuje razdjelnik izlaznog napona, pojačalo greške, referentni napon i komponentu kompenzacije petlje. Modulator širine impulsa (PWM) koristi komparator za usporedbu signala greške sa signalom fiksne rampe za proizvodnju izlaznog slijeda impulsa koji je proporcionalan signalu greške.

Iako različita opterećenja VMC sistema imaju stroga izlazna pravila i lako se sinhroniziraju sa vanjskim satom, standardna arhitektura ima neke nedostatke. Kompenzacija petlje smanjuje propusnost kontrolne petlje i usporava prolazni odziv; pojačalo greške povećava radnu struju i smanjuje efikasnost.

Kontrolna shema konstantnog uključivanja (COT) osigurava dobre prijelazne performanse bez kompenzacije petlje. COT kontrola koristi komparator za usporedbu reguliranog izlaznog napona s referentnim naponom: kada je izlazni napon manji od referentnog napona, generira se fiksni vremenski impuls. Pri niskim radnim ciklusima zbog toga je frekvencija uključivanja vrlo visoka, pa adaptivni COT kontroler generira vrijeme uključivanja koje varira ovisno o ulaznom i izlaznom naponu, čime se frekvencija održava gotovo konstantnom u stabilnom stanju. D-CAP topologija kompanije Texas Instrument poboljšanje je u odnosu na adaptivni COT pristup: D-CAP kontroler dodaje napon rampe na ulaz komparatora povratnih informacija, čime se poboljšavaju performanse podrhtavanja smanjenjem opsega šuma u aplikaciji. Slika 2 je poređenje COT i D-CAP sistema.

Slika 2: Poređenje standardne COT topologije (a) i D-CAP topologije (b) (Izvor: Texas Instruments) Postoji nekoliko različitih varijanti D-CAP topologije za različite potrebe. Na primjer, polu-mostovni PWM kontroler TPS53632 koristi D-CAP+ arhitekturu, koja se prvenstveno koristi u visokonaponskim aplikacijama i može pokretati nivoe snage do 1MHz u 48V do 1V POL pretvaračima sa efikasnošću i do 92%.

Za razliku od D-CAP-a, povratna petlja D-CAP+ dodaje komponentu koja je proporcionalna induciranoj struji za preciznu kontrolu pada. Pojačalo sa povećanom greškom poboljšava tačnost istosmjernog opterećenja pod različitim linijama i uslovima opterećenja.

Izlazni napon regulatora podešava interni DAC. Ovaj ciklus počinje kada trenutna povratna informacija dosegne nivo napona greške. Ovaj napon greške odgovara pojačanoj razlici napona između napona zadane vrijednosti DAC -a i izlaznog napona povratne sprege.

Korak 2: Poboljšajte performanse pod uslovima slabog opterećenja

Za prijenosne i nosive uređaje postoji potreba za poboljšanjem performansi pri slabim opterećenjima kako bi se produžio vijek trajanja baterije. Mnoge prijenosne i nosive aplikacije većinu vremena su u pripravnom stanju "privremenog spavanja" ili "mirovanja" male snage, aktivirane samo kao odgovor na unos korisnika ili periodična mjerenja, pa minimizirajte potrošnju energije u stanju pripravnosti. To je najveći prioritet.

Topologija DCS-ControlTM (izravna kontrola za besprijekoran prijelaz u način rada za uštedu energije) kombinira prednosti tri različite sheme upravljanja (tj. Način histereze, način napona i način rada struje) za poboljšanje performansi u uvjetima malog opterećenja, posebno pri prijelazu na Ili kada napuštajući stanje lakog opterećenja. Ova topologija podržava PWM načine rada za srednja i velika opterećenja, kao i način uštede energije (PSM) za mala opterećenja.

Tokom rada PWM -a, sistem radi na nominalnoj frekvenciji uključivanja zasnovanoj na ulaznom naponu i kontroliše promjenu frekvencije. Ako se struja opterećenja smanji, pretvarač se prebacuje na PSM radi održavanja visoke učinkovitosti sve dok ne padne na vrlo lagano opterećenje. Na PSM -u se frekvencija prebacivanja linearno smanjuje sa strujom opterećenja. Oba načina rada kontroliraju se jednim upravljačkim blokom, pa je prijelaz iz PWM u PSM besprijekoran i ne utječe na izlazni napon.

Slika 3 je blok dijagram DCS-ControlTM. Upravljačka petlja prima informacije o promjeni izlaznog napona i šalje ih direktno natrag u brzo komparator. Komparator postavlja frekvenciju uključivanja (kao konstantu za stacionarne radne uvjete) i pruža trenutni odgovor na dinamičke promjene opterećenja. Povratna petlja napona precizno regulira istosmjerno opterećenje. Interno kompenzirana regulacijska mreža omogućuje brz i stabilan rad s malim vanjskim komponentama i niskim ESR kondenzatorima.

Slika 3: Implementacija DCS-ControlTM topologije u konverteru dolara TPS62130 (Izvor: Texas Instruments)

Sinhroni sklopni pretvarač snage TPS6213xA-Q1 zasnovan je na DCS-ControlTM topologiji i optimiziran je za POL aplikacije velike gustoće energije. Tipična frekvencija uključivanja od 2,5 MHz dopušta upotrebu malih prigušnica i osigurava brz prijelazni odziv i visoku točnost izlaznog napona. TPS6213 radi u rasponu ulaznog napona od 3V do 17V i može isporučiti do 3A kontinuirane struje između 0,9V i 6V izlaznog napona.