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

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:35

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

Projektanti elektroenergetskih sustava suočeni su s stalnim pritiskom tržišta kako bi pronašli načine kako iskoristiti svu raspoloživu snagu. U prijenosnim uređajima veća učinkovitost produljuje vijek trajanja baterije i stavlja više funkcionalnosti u manje pakete. U poslužiteljima i baznim stanicama, povećanje učinkovitosti može izravno uštedjeti infrastrukturu (rashladni sustavi) i operativne troškove (računi za električnu energiju). Kako bi zadovoljili zahtjeve tržišta, dizajneri sustava poboljšavaju procese pretvorbe energije u više područja, uključujući učinkovitije topologije prebacivanja, inovacije u pakiranju 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 koji se temelje na tehnologiji prebacivanja, a ne na linearnoj tehnologiji. Uklopno napajanje (SMPS) ima efektivnu snagu veću od 90%. Time se produljuje trajanje baterije prijenosnih sustava, smanjuju se troškovi 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 tiskanih pločica (PCB -ovi) moraju posvetiti veću pozornost elektromagnetskim smetnjama (EMI) jer visokofrekventni komutacijski valni oblici mogu uzrokovati probleme u osjetljivim analognim i RF krugovima.

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

Većina standardnih topologija postoji već desetljećima, ali to ne znači da inženjeri ne prilagođavaju standardni dizajn kako bi se prilagodili novim aplikacijama, osobito kontrolnim petljama. Standardna arhitektura koristi fiksnu frekvenciju za održavanje konstantnog izlaznog napona povratnim dijelom 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 sustava upravljanja naponom zatvorene petlje (VMC). Stupanj napajanja sastoji se od prekidača za napajanje i izlaznog filtra. Kompenzacijski blok uključuje razdjelnik izlaznog napona, pojačalo greške, referentni napon i komponentu kompenzacije petlje. Modulator širine impulsa (PWM) koristi usporednik za usporedbu signala pogreške sa signalom fiksne rampe za proizvodnju izlaznog slijeda impulsa koji je proporcionalan signalu pogreške.

Iako različita opterećenja VMC sustava imaju stroga izlazna pravila i lako se sinkroniziraju s vanjskim satom, standardna arhitektura ima neke nedostatke. Kompenzacija petlje smanjuje propusnost upravljačke petlje i usporava prijelazni odziv; pojačalo pogreške povećava radnu struju i smanjuje učinkovitost.

Shema upravljanja s konstantnim uključivanjem (COT) osigurava dobre prijelazne performanse bez kompenzacije petlje. COT kontrola koristi usporednik 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 regulator generira vrijeme uključivanja koje varira ovisno o ulaznim i izlaznim naponima, čime se frekvencija održava gotovo konstantnom u stabilnom stanju. D-CAP topologija tvrtke Texas Instrument poboljšanje je u odnosu na adaptivni COT pristup: D-CAP kontroler dodaje napon rampe na ulaz komparatora povratnih informacija, što poboljšava performanse podrhtavanja smanjenjem pojasa šuma u aplikaciji. Slika 2 je usporedba COT i D-CAP sustava.

Slika 2: Usporedba 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 visokostrujnim aplikacijama i može pokretati razine snage do 1MHz u POL pretvaračima od 48V do 1V s učinkovitošću od čak 92%.

Za razliku od D-CAP-a, povratna petlja D-CAP+ dodaje komponentu koja je proporcionalna induciranoj struji za precizno upravljanje padom. Pojačalo s povećanom pogreškom poboljšava točnost istosmjernog opterećenja u različitim uvjetima linije i opterećenja.

Izlazni napon regulatora podešen je unutarnjim DAC -om. Ovaj ciklus počinje kada trenutna povratna sprega dosegne razinu napona pogreške. Ovaj napon pogreške odgovara pojačanoj razlici napona između napona zadane vrijednosti DAC -a i izlaznog napona povratne sprege.

Korak 2: Poboljšajte performanse pod uvjetima slabog opterećenja

Za prijenosne i nosive uređaje potrebno je poboljšati performanse pod uvjetima slabog opterećenja kako bi se produžio vijek trajanja baterije. Mnoge prijenosne i nosive aplikacije većinu su vremena u pripravnom stanju "privremenog sna" ili "mirovanja" male snage, aktivirane samo kao odgovor na unos korisnika ili povremena mjerenja, pa minimizirajte potrošnju energije u stanju pripravnosti. To je glavni prioritet.

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

Tijekom rada PWM -a sustav radi na nazivnoj frekvenciji uključivanja na temelju ulaznog napona i kontrolira 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 uključivanja linearno smanjuje s 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 izravno natrag na brzo komparator. Komparator uspostavlja frekvenciju uključivanja (kao konstantu za stacionarne radne uvjete) i osigurava trenutni odgovor na dinamičke promjene opterećenja. Povratna petlja napona točno 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)

Sinkroni sklopni pretvarač snage TPS6213xA-Q1 temelji se na topologiji DCS-ControlTM i optimiziran je za POL aplikacije velike gustoće energije. Tipična sklopna frekvencija 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 izlaznih napona 0,9V i 6V.