Kaip „DC-DC Technologies“susiduria su energijos tiekimo projektavimo iššūkiais: 3 žingsniai

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:47

Išanalizuosiu, kaip „DC-DC Technologies“atitinka iššūkio maitinimo šaltinio dizainą.

Elektros sistemų dizaineriai susiduria su nuolatiniu rinkos spaudimu ieškodami būdų, kaip maksimaliai išnaudoti turimą energiją. Nešiojamuose įrenginiuose didesnis efektyvumas prailgina baterijos veikimo laiką ir suteikia daugiau funkcijų mažesniems paketams. Serveriuose ir bazinėse stotyse padidėjęs efektyvumas gali tiesiogiai sutaupyti infrastruktūrą (aušinimo sistemas) ir eksploatacijos išlaidas (sąskaitas už elektrą). Siekdami patenkinti rinkos poreikius, sistemų kūrėjai tobulina galios konversijos procesus daugelyje sričių, įskaitant efektyvesnes perjungimo topologijas, paketų naujoves ir naujus puslaidininkinius įtaisus, kurių pagrindą sudaro silicio karbidas (SiC) ir galio nitridas (GaN).

1 žingsnis: keitiklio keitimo topologijos tobulinimas

Norėdami visapusiškai pasinaudoti turima galia, žmonės vis dažniau priima dizainą, pagrįstą perjungimo technologija, o ne tiesine. Maitinimo šaltinio (SMPS) efektyvioji galia viršija 90%. Tai prailgina nešiojamų sistemų akumuliatoriaus tarnavimo laiką, sumažina elektros energijos sąnaudas didelėms įrangoms ir sutaupo vietos, kuri anksčiau buvo naudojama radiatoriaus komponentams.

Perėjimas prie pakeistos topologijos turi tam tikrų trūkumų, o sudėtingesnis dizainas reikalauja, kad dizaineriai turėtų daug įgūdžių. Projektavimo inžinieriai turi būti susipažinę su analoginėmis ir skaitmeninėmis technologijomis, elektromagnetika ir uždarojo ciklo valdymu. Spausdintinių plokščių (PCB) kūrėjai turi daugiau dėmesio skirti elektromagnetiniams trikdžiams (EMI), nes aukšto dažnio perjungimo bangų formos gali sukelti problemų jautriose analoginėse ir RF grandinėse.

Prieš išrandant tranzistorių, buvo pasiūlyta pagrindinė perjungimo režimo galios keitimo koncepcija: pavyzdžiui, 1910 m. Išrasta Kate tipo indukcinė iškrovos sistema, kuri panaudojo mechaninį vibratorių, skirtą automobilių uždegimo sistemos „flyback boost“keitikliui įgyvendinti..

Dauguma standartinių topologijų egzistuoja dešimtmečius, tačiau tai nereiškia, kad inžinieriai nepritaiko standartinių konstrukcijų, kad galėtų pritaikyti naujas programas, ypač valdymo kilpas. Standartinė architektūra naudoja fiksuotą dažnį, kad palaikytų pastovią išėjimo įtampą, maitindama dalį išėjimo įtampos (įtampos režimo valdymas) arba valdydama indukuotą srovę (srovės režimo valdymas) esant skirtingoms apkrovos sąlygoms. Dizaineriai nuolat tobulėja, kad įveiktų pagrindinio dizaino trūkumus.

1 paveiksle pavaizduota pagrindinė uždarojo ciklo įtampos režimo valdymo (VMC) sistema. Maitinimo etapą sudaro maitinimo jungiklis ir išėjimo filtras. Kompensavimo bloką sudaro išėjimo įtampos daliklis, klaidos stiprintuvas, etaloninė įtampa ir kilpos kompensavimo komponentas. Impulsų pločio moduliatorius (PWM) naudoja palyginamąjį prietaisą, kad palygintų klaidos signalą su fiksuotu rampos signalu, kad gautų išėjimo impulsų seką, proporcingą klaidos signalui.

Nors skirtingos VMC sistemos apkrovos turi griežtas išvesties taisykles ir jas lengva sinchronizuoti su išoriniu laikrodžiu, standartinė architektūra turi tam tikrų trūkumų. Kilpos kompensavimas sumažina valdymo kilpos pralaidumą ir lėtina laikiną atsaką; klaidos stiprintuvas padidina darbinę srovę ir sumažina efektyvumą.

Pastovaus laiko (COT) valdymo schema užtikrina gerą laikiną našumą be kilpos kompensavimo. COT valdiklis naudoja lygintuvą, kad palygintų reguliuojamą išėjimo įtampą su etalonine įtampa: kai išėjimo įtampa yra mažesnė už etaloninę įtampą, generuojamas fiksuotas laiko impulsas. Esant mažo darbo ciklams, perjungimo dažnis yra labai didelis, todėl prisitaikanti COT valdiklis sukuria laiką, kuris kinta priklausomai nuo įėjimo ir išėjimo įtampos, todėl dažnis beveik pastovus pastovioje būsenoje. „Texas Instrument“D-CAP topologija yra patobulinimas, palyginti su prisitaikančiu COT metodu: „D-CAP“valdiklis prideda rampos įtampą grįžtamojo ryšio lyginamojo įvestyje, o tai pagerina nervingumą, sumažinant programos triukšmo juostą. 2 paveiksle yra COT ir D-CAP sistemų palyginimas.

2 paveikslas. Standartinės COT topologijos (a) ir D-CAP topologijos (b) palyginimas (Šaltinis: Texas Instruments) Yra keli skirtingi D-CAP topologijos variantai skirtingiems poreikiams. Pavyzdžiui, TPS53632 pusiau tiltinis PWM valdiklis naudoja D-CAP+ architektūrą, kuri pirmiausia naudojama didelės srovės programose ir gali padidinti galią iki 1 MHz 48V iki 1V POL keitikliuose, kurių efektyvumas siekia net 92%.

Skirtingai nuo D-CAP, „D-CAP+“grįžtamojo ryšio kilpa prideda komponentą, proporcingą indukcijai, kad būtų galima tiksliai valdyti kritimą. Padidėjęs klaidų stiprintuvas pagerina nuolatinės srovės apkrovos tikslumą įvairiomis linijų ir apkrovos sąlygomis.

Valdiklio išėjimo įtampą nustato vidinis DAC. Šis ciklas prasideda, kai dabartinis grįžtamasis ryšys pasiekia klaidos įtampos lygį. Ši klaidos įtampa atitinka sustiprintą įtampos skirtumą tarp DAC nustatytos vertės įtampos ir grįžtamojo ryšio išėjimo įtampos.

2 žingsnis: pagerinkite našumą esant mažai apkrovai

Nešiojamų ir nešiojamų prietaisų atveju reikia pagerinti našumą esant nedidelėms apkrovoms, kad būtų pratęstas akumuliatoriaus veikimo laikas. Daugelis nešiojamųjų ir nešiojamųjų programų dažniausiai veikia mažos galios „laikino miego“arba „miego“budėjimo režimu, įjungiamos tik reaguojant į vartotojo įvestį arba periodinius matavimus, todėl sumažinkite energijos suvartojimą laukimo režimu. Tai yra pagrindinis prioritetas.

DCS-ControlTM (tiesioginio valdymo į besiūlį perėjimą prie energijos taupymo režimo) topologija apjungia trijų skirtingų valdymo schemų (ty histerezės, įtampos ir srovės režimų) pranašumus, kad pagerėtų našumas esant nedidelėms apkrovoms, ypač perėjimas prie arba paliekant lengvos apkrovos būseną. Ši topologija palaiko PWM režimus vidutinėms ir sunkioms apkrovoms, taip pat energijos taupymo režimą (PSM) mažoms apkrovoms.

PWM veikimo metu sistema veikia nominaliu perjungimo dažniu, pagrįstu įėjimo įtampa, ir kontroliuoja dažnio keitimą. Jei apkrovos srovė mažėja, keitiklis persijungia į PSM, kad išlaikytų aukštą efektyvumą, kol sumažės iki labai mažos apkrovos. Esant PSM, perjungimo dažnis mažėja tiesiškai su apkrovos srove. Abu režimai valdomi vienu valdymo bloku, todėl perėjimas nuo PWM prie PSM yra vientisas ir neturi įtakos išėjimo įtampai.

3 paveikslas yra „DCS-ControlTM“blokinė schema. Valdymo kilpa paima informaciją apie išėjimo įtampos pasikeitimą ir tiesiogiai ją grąžina greitam palyginimui. Lygintuvas nustato perjungimo dažnį (kaip pastovios veikimo pastovios būsenos sąlygomis) ir nedelsdamas reaguoja į dinaminius apkrovos pokyčius. Įtampos grįžtamoji kilpa tiksliai reguliuoja nuolatinės srovės apkrovą. Iš vidaus kompensuojamas reguliavimo tinklas leidžia greitai ir stabiliai veikti naudojant mažus išorinius komponentus ir mažus ESR kondensatorius.

3 paveikslas. DCS-ControlTM topologijos diegimas TPS62130 grotuvų keitiklyje (šaltinis: Texas Instruments)

Sinchroninio perjungimo galios keitiklis TPS6213xA-Q1 pagrįstas DCS-ControlTM topologija ir yra optimizuotas didelio galingumo POL sistemoms. Įprastas 2,5MHz perjungimo dažnis leidžia naudoti mažus induktorius ir užtikrina greitą trumpalaikį atsaką bei aukštą išėjimo įtampos tikslumą. TPS6213 veikia nuo 3V iki 17V įėjimo įtampos diapazono ir gali tiekti iki 3A nuolatinės srovės nuo 0,9V iki 6V išėjimo įtampos.