Kako se spopadajo z izzivi pri oblikovanju napajalnikov DC-DC Technologies: 3 koraki

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:05

Analiziral bom, kako DC-DC Technologies odgovarja na izziv oblikovanja napajalnika.

Oblikovalci elektroenergetskih sistemov se soočajo s stalnim pritiskom trga, da bi našli načine, kako izkoristiti razpoložljivo moč. V prenosnih napravah večja učinkovitost podaljšuje življenjsko dobo baterije in daje več funkcionalnosti v manjše pakete. Na strežnikih in baznih postajah lahko povečanje učinkovitosti neposredno prihrani infrastrukturo (hladilni sistemi) in obratovalne stroške (račune za elektriko). Da bi zadovoljili zahteve trga, oblikovalci sistemov izboljšujejo procese pretvorbe energije na več področjih, vključno z učinkovitejšimi preklopnimi topologijami, inovacijami paketov in novimi polprevodniškimi napravami na osnovi silicijevega karbida (SiC) in galijevega nitrida (GaN).

1. korak: Izboljšanje topologije preklopnega pretvornika

Da bi v celoti izkoristili razpoložljivo moč, ljudje vse pogosteje sprejemajo zasnove, ki temeljijo na preklopni tehnologiji in ne na linearni. Stikalno napajanje (SMPS) ima efektivno moč več kot 90%. To podaljša življenjsko dobo baterije prenosnih sistemov, zmanjša stroške električne energije za veliko opremo in prihrani prostor, ki je bil prej uporabljen za komponente hladilnega telesa.

Prehod na preklopljeno topologijo ima določene pomanjkljivosti, njegova bolj zapletena zasnova pa od oblikovalcev zahteva več spretnosti. Inženirji projektiranja morajo poznati analogne in digitalne tehnologije, elektromagnetiko in krmiljenje z zaprto zanko. Oblikovalci tiskanih vezij (PCB) morajo biti bolj pozorni na elektromagnetne motnje (EMI), ker lahko visokofrekvenčne preklopne valovne oblike povzročijo težave v občutljivih analognih in RF vezjih.

Pred izumom tranzistorja je bil predlagan osnovni koncept pretvorbe moči v preklopnem načinu: na primer induktivni izpustni sistem tipa Kate, izumljen leta 1910, ki je uporabil mehanski vibrator za izvedbo povratnega pretvornika za avtomobilski vžig.

Večina standardnih topologij obstaja že desetletja, vendar to ne pomeni, da inženirji ne prilagajajo standardnih modelov, da bi ustrezali novim aplikacijam, zlasti krmilnim zankam. Standardna arhitektura uporablja fiksno frekvenco za vzdrževanje konstantne izhodne napetosti z vračanjem dela izhodne napetosti (krmiljenje napetostnega načina) ali krmiljenjem induciranega toka (krmiljenje tokovnega načina) pri različnih pogojih obremenitve. Oblikovalci se nenehno izboljšujejo, da bi premagali pomanjkljivosti osnovnega oblikovanja.

Slika 1 je blok diagram osnovnega sistema krmiljenja napetosti v zaprti zanki (VMC). Stopnja napajanja je sestavljena iz stikala za vklop in izhodnega filtra. Kompenzacijski blok vključuje delilnik izhodne napetosti, ojačevalnik napak, referenčno napetost in kompenzacijsko komponento zanke. Modulator širine impulza (PWM) uporablja primerjalnik za primerjavo signala napake s signalom fiksne rampe za izdelavo zaporedja izhodnega impulza, ki je sorazmeren s signalom napake.

Čeprav imajo različne obremenitve sistema VMC stroga izhodna pravila in jih je enostavno sinhronizirati z zunanjo uro, ima standardna arhitektura nekaj pomanjkljivosti. Kompenzacija zanke zmanjša pasovno širino krmilne zanke in upočasni prehodni odziv; ojačevalnik napak poveča obratovalni tok in zmanjša učinkovitost.

Kontrolna shema s stalnim časom delovanja (COT) zagotavlja dobre prehodne zmogljivosti brez kompenzacije zanke. Krmilnik COT uporablja primerjalnik za primerjavo regulirane izhodne napetosti z referenčno napetostjo: ko je izhodna napetost manjša od referenčne napetosti, se ustvari fiksni časovni impulz. Pri nizkih obratovalnih ciklih je zaradi tega preklopna frekvenca zelo visoka, zato prilagodljivi regulator COT ustvari čas vklopa, ki se spreminja glede na vhodno in izhodno napetost, kar ohranja frekvenco skoraj konstantno v stanju dinamičnega ravnovesja. Topologija D-CAP družbe Texas Instrument je izboljšava v primerjavi s prilagodljivim pristopom COT: krmilnik D-CAP doda rampo napetosti na vhod primerjalnika povratnih informacij, kar izboljša delovanje trepetanja z zmanjšanjem pasu hrupa v aplikaciji. Slika 2 je primerjava sistemov COT in D-CAP.

Slika 2: Primerjava standardne topologije COT (a) in topologije D-CAP (b) (Vir: Texas Instruments) Obstaja več različnih variant topologije D-CAP za različne potrebe. Na primer, polpremostniški krmilnik PWM TPS53632 uporablja arhitekturo D-CAP+, ki se uporablja predvsem v aplikacijah z visokim tokom in lahko poganja ravni moči do 1 MHz v pretvornikih POL 48V do 1V z izkoristki do 92%.

Za razliko od D-CAP, povratna zanka D-CAP+ doda komponento, ki je sorazmerna z induciranim tokom za natančno krmiljenje padca. Ojačevalnik povečane napake izboljša natančnost enosmerne obremenitve v različnih pogojih linije in obremenitve.

Izhodno napetost regulatorja nastavi notranji DAC. Ta cikel se začne, ko trenutna povratna informacija doseže raven napetosti napake. Ta napačna napetost ustreza povečani napetostni razliki med napetostjo nastavljene točke DAC in izhodno napetostjo povratne informacije.

2. korak: Izboljšajte zmogljivost v pogojih lahke obremenitve

Pri prenosnih in nosljivih napravah je treba izboljšati zmogljivost pri šibki obremenitvi, da se podaljša življenjska doba baterije. Številne prenosne in nosljive aplikacije so večino časa v stanju pripravljenosti v "začasnem spanju" ali "spanju" z nizko porabo energije, aktivirane pa so le kot odgovor na vnos uporabnika ali občasne meritve, zato je v stanju pripravljenosti čim manj porabe energije. To je glavna prioriteta.

Topologija DCS-ControlTM (Neposreden nadzor do brezšivnega prehoda v način varčevanja z energijo) združuje prednosti treh različnih krmilnih shem (tj. Način histereze, napetostni način in trenutni način) za izboljšanje delovanja v pogojih lahke obremenitve, zlasti pri prehodu na Ali kadar zapusti stanje lahke obremenitve. Ta topologija podpira načine PWM za srednje in težke obremenitve ter način varčevanja z energijo (PSM) za lahke obremenitve.

Med delovanjem PWM sistem deluje pri nazivni preklopni frekvenci glede na vhodno napetost in nadzoruje spremembo frekvence. Če se obremenitveni tok zmanjša, pretvornik preklopi na PSM, da ohrani visoko učinkovitost, dokler ne pade na zelo majhno obremenitev. Pri PSM se preklopna frekvenca linearno zmanjšuje s tokom obremenitve. Oba načina krmili en sam krmilni blok, zato je prehod iz PWM v PSM nemoten in ne vpliva na izhodno napetost.

Slika 3 je blok diagram DCS-ControlTM. Krmilna zanka sprejema informacije o spremembi izhodne napetosti in jih dovaja neposredno nazaj v hitri primerjalnik. Primerjalnik nastavi preklopno frekvenco (kot konstanto za ustaljene obratovalne pogoje) in zagotavlja takojšen odziv na dinamične spremembe obremenitve. Napetostna povratna zanka natančno uravnava obremenitev enosmernega toka. Notranje kompenzirano regulacijsko omrežje omogoča hitro in stabilno delovanje z majhnimi zunanjimi komponentami in nizkimi kondenzatorji ESR.

Slika 3: Izvajanje topologije DCS-Control ™ v pretvorniku dolarjev TPS62130 (Vir: Texas Instruments)

Sinhroni preklopni pretvornik moči TPS6213xA-Q1 temelji na topologiji DCS-ControlTM in je optimiziran za aplikacije POL z visoko gostoto energije. Tipična preklopna frekvenca 2,5 MHz omogoča uporabo majhnih induktorjev in zagotavlja hiter prehodni odziv in visoko natančnost izhodne napetosti. TPS6213 deluje v območju vhodne napetosti od 3 V do 17 V in lahko odda do 3A neprekinjenega toka med 0,9 V in 6 V izhodno napetostjo.