Πώς συναντιούνται οι προκλήσεις του σχεδιασμού τροφοδοσίας από τις τεχνολογίες DC-DC: 3 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:35

Θα αναλύσω πώς ανταποκρίνεται η πρόκληση του σχεδιασμού τροφοδοτικού από την DC-DC Technologies.

Οι σχεδιαστές συστημάτων ισχύος αντιμετωπίζουν συνεχή πίεση από την αγορά για να βρουν τρόπους για να αξιοποιήσουν στο έπακρο τη διαθέσιμη ισχύ. Στις φορητές συσκευές, η υψηλότερη απόδοση επεκτείνει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας και προσθέτει περισσότερη λειτουργικότητα σε μικρότερα πακέτα. Σε διακομιστές και σταθμούς βάσης, τα κέρδη απόδοσης μπορούν να εξοικονομήσουν άμεσα υποδομές (συστήματα ψύξης) και λειτουργικά κόστη (λογαριασμοί ηλεκτρικής ενέργειας). Για να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις της αγοράς, οι σχεδιαστές συστημάτων βελτιώνουν τις διαδικασίες μετατροπής ισχύος σε πολλούς τομείς, συμπεριλαμβανομένων πιο αποτελεσματικών τοπολογιών μεταγωγής, καινοτομιών συσκευασίας και νέων συσκευών ημιαγωγών που βασίζονται σε καρβίδιο πυριτίου (SiC) και νιτρίδιο γαλίου (GaN).

Βήμα 1: Βελτίωση της τοπολογίας μετατροπέα μετατροπέα

Για να επωφεληθούν πλήρως από τη διαθέσιμη ισχύ, οι άνθρωποι υιοθετούν όλο και περισσότερο σχέδια που βασίζονται σε τεχνολογία μεταγωγής και όχι σε γραμμική τεχνολογία. Η τροφοδοσία μεταγωγής (SMPS) έχει αποτελεσματική ισχύ πάνω από 90%. Αυτό επεκτείνει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας των φορητών συστημάτων, μειώνει το κόστος ηλεκτρικής ενέργειας για μεγάλο εξοπλισμό και εξοικονομεί χώρο που χρησιμοποιήθηκε προηγουμένως για εξαρτήματα ψύκτρας.

Η μετάβαση σε μια αλλαγμένη τοπολογία έχει ορισμένα μειονεκτήματα και ο πιο περίπλοκος σχεδιασμός της απαιτεί από τους σχεδιαστές να έχουν πολλαπλές δεξιότητες. Οι μηχανικοί σχεδιασμού πρέπει να είναι εξοικειωμένοι με τις αναλογικές και ψηφιακές τεχνολογίες, την ηλεκτρομαγνητική και τον έλεγχο κλειστού βρόχου. Οι σχεδιαστές πινάκων τυπωμένων κυκλωμάτων (PCB) πρέπει να δώσουν μεγαλύτερη προσοχή στις ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές (EMI) επειδή οι κυματομορφές μεταγωγής υψηλής συχνότητας μπορούν να προκαλέσουν προβλήματα σε ευαίσθητα αναλογικά κυκλώματα και RF.

Πριν από την εφεύρεση του τρανζίστορ, προτάθηκε η βασική ιδέα της μετατροπής ισχύος σε λειτουργία μεταγωγής: για παράδειγμα, το επαγωγικό σύστημα εκκένωσης τύπου Kate που εφευρέθηκε το 1910, το οποίο χρησιμοποίησε έναν μηχανικό δονητή για την εφαρμογή ενός μετατροπέα ενίσχυσης flyback για ένα σύστημα ανάφλεξης αυτοκινήτων Το

Οι περισσότερες τυπικές τοπολογίες υπάρχουν εδώ και δεκαετίες, αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι οι μηχανικοί δεν προσαρμόζουν τα τυπικά σχέδια για να προσαρμόσουν νέες εφαρμογές, ειδικά βρόχους ελέγχου. Η τυπική αρχιτεκτονική χρησιμοποιεί μια σταθερή συχνότητα για να διατηρήσει μια σταθερή τάση εξόδου τροφοδοτώντας μέρος της τάσης εξόδου (έλεγχος λειτουργίας τάσης) ή ελέγχοντας το επαγόμενο ρεύμα (έλεγχος λειτουργίας ρεύματος) υπό διαφορετικές συνθήκες φορτίου. Οι σχεδιαστές βελτιώνονται συνεχώς για να ξεπεράσουν τα ελαττώματα του βασικού σχεδιασμού.

Το Σχήμα 1 είναι ένα μπλοκ διάγραμμα ενός βασικού συστήματος ελέγχου λειτουργίας τάσης κλειστού βρόχου (VMC). Το στάδιο τροφοδοσίας αποτελείται από έναν διακόπτη τροφοδοσίας και ένα φίλτρο εξόδου. Το μπλοκ αντιστάθμισης περιλαμβάνει ένα διαχωριστή τάσης εξόδου, έναν ενισχυτή σφάλματος, μια τάση αναφοράς και ένα στοιχείο αντιστάθμισης βρόχου. Ένας διαμορφωτής πλάτους παλμού (PWM) χρησιμοποιεί έναν συγκριτή για να συγκρίνει το σήμα σφάλματος με ένα σταθερό σήμα ράμπας για να παράγει μια ακολουθία παλμών εξόδου που είναι ανάλογη με το σήμα σφάλματος.

Αν και τα διαφορετικά φορτία του συστήματος VMC έχουν αυστηρούς κανόνες εξόδου και είναι εύκολο να συγχρονιστούν με το εξωτερικό ρολόι, η τυπική αρχιτεκτονική έχει ορισμένα μειονεκτήματα. Η αντιστάθμιση βρόχου μειώνει το εύρος ζώνης του βρόχου ελέγχου και επιβραδύνει την παροδική απόκριση. ο ενισχυτής σφάλματος αυξάνει το ρεύμα λειτουργίας και μειώνει την απόδοση.

Το σταθερό σύστημα ελέγχου έγκαιρου (COT) παρέχει καλή παροδική απόδοση χωρίς αντιστάθμιση βρόχου. Ο έλεγχος COT χρησιμοποιεί έναν συγκριτή για τη σύγκριση της ρυθμιζόμενης τάσης εξόδου με την τάση αναφοράς: όταν η τάση εξόδου είναι μικρότερη από την τάση αναφοράς, δημιουργείται ένας σταθερός παλμός εγκαίρως. Σε κύκλους χαμηλής λειτουργίας, αυτό προκαλεί τη συχνότητα μεταγωγής να είναι πολύ υψηλή, οπότε ο προσαρμοζόμενος ελεγκτής COT δημιουργεί ένα έγκαιρο που ποικίλλει με τις τάσεις εισόδου και εξόδου, γεγονός που διατηρεί τη συχνότητα σχεδόν σταθερή σε σταθερή κατάσταση. Η τοπολογία D-CAP του Texas Instrument είναι μια βελτίωση σε σχέση με την προσαρμοστική προσέγγιση COT: ο ελεγκτής D-CAP προσθέτει μια τάση ράμπας στην είσοδο του συγκριτή ανάδρασης, η οποία βελτιώνει την απόδοση του jitter μειώνοντας τη ζώνη θορύβου στην εφαρμογή. Το σχήμα 2 είναι μια σύγκριση των συστημάτων COT και D-CAP.

Σχήμα 2: Σύγκριση τυπικής τοπολογίας COT (a) και D-CAP τοπολογίας (b) (Πηγή: Texas Instruments) Υπάρχουν πολλές διαφορετικές παραλλαγές της τοπολογίας D-CAP για διαφορετικές ανάγκες. Για παράδειγμα, ο ελεγκτής PWM μισής γέφυρας TPS53632 χρησιμοποιεί την αρχιτεκτονική D-CAP+, η οποία χρησιμοποιείται κυρίως σε εφαρμογές υψηλής τάσης και μπορεί να οδηγήσει επίπεδα ισχύος έως 1MHz σε μετατροπείς POL 48V έως 1V με αποδόσεις έως και 92%.

Σε αντίθεση με το D-CAP, ο βρόχος ανάδρασης D-CAP+ προσθέτει ένα στοιχείο που είναι ανάλογο με το επαγόμενο ρεύμα για ακριβή έλεγχο της πτώσης. Ο αυξημένος ενισχυτής σφάλματος βελτιώνει την ακρίβεια του φορτίου DC υπό διάφορες συνθήκες γραμμής και φορτίου.

Η τάση εξόδου του ελεγκτή ορίζεται από το εσωτερικό DAC. Αυτός ο κύκλος ξεκινά όταν η τρέχουσα ανάδραση φτάσει στο επίπεδο τάσης σφάλματος. Αυτή η τάση σφάλματος αντιστοιχεί στην ενισχυμένη διαφορά τάσης μεταξύ της τάσης σημείου ρύθμισης DAC και της τάσης εξόδου ανάδρασης.

Βήμα 2: Βελτιώστε την απόδοση υπό συνθήκες ελαφρού φορτίου

Για φορητές και φορετές συσκευές, υπάρχει ανάγκη βελτίωσης της απόδοσης υπό συνθήκες ελαφρού φορτίου για να παραταθεί η διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Πολλές φορητές και φορετές εφαρμογές βρίσκονται σε κατάσταση αναμονής χαμηλής κατανάλωσης "προσωρινού ύπνου" ή "αδράνειας" τις περισσότερες φορές, ενεργοποιούνται μόνο ως απόκριση της εισόδου χρήστη ή περιοδικών μετρήσεων, οπότε ελαχιστοποιήστε την κατανάλωση ενέργειας σε κατάσταση αναμονής. Είναι η κορυφαία προτεραιότητα.

Η τοπολογία DCS-ControlTM (Άμεσος έλεγχος σε απρόσκοπτη μετάβαση σε λειτουργία εξοικονόμησης ενέργειας) συνδυάζει τα πλεονεκτήματα τριών διαφορετικών σχημάτων ελέγχου (π.χ. λειτουργία υστέρησης, λειτουργία τάσης και τρέχουσα κατάσταση) για τη βελτίωση της απόδοσης υπό συνθήκες ελαφρού φορτίου, ιδιαίτερα μετάβασης σε Or όταν αφήνοντας την κατάσταση ελαφρού φορτίου. Αυτή η τοπολογία υποστηρίζει λειτουργίες PWM για μεσαία και βαριά φορτία, καθώς και λειτουργία εξοικονόμησης ενέργειας (PSM) για ελαφριά φορτία.

Κατά τη λειτουργία του PWM, το σύστημα λειτουργεί στην ονομαστική του συχνότητα μεταγωγής με βάση την τάση εισόδου και ελέγχει την αλλαγή συχνότητας. Εάν μειωθεί το ρεύμα φόρτωσης, ο μετατροπέας μεταβαίνει στο PSM για να διατηρήσει υψηλή απόδοση έως ότου πέσει σε πολύ μικρό φορτίο. Στο PSM, η συχνότητα μεταγωγής μειώνεται γραμμικά με το ρεύμα φορτίου. Και οι δύο λειτουργίες ελέγχονται από ένα μόνο μπλοκ ελέγχου, οπότε η μετάβαση από το PWM στο PSM είναι απρόσκοπτη και δεν επηρεάζει την τάση εξόδου.

Το σχήμα 3 είναι ένα μπλοκ διάγραμμα του DCS-ControlTM. Ο βρόχος ελέγχου λαμβάνει πληροφορίες σχετικά με την αλλαγή της τάσης εξόδου και τις τροφοδοτεί απευθείας στον γρήγορο συγκριτή. Ο συγκριτής ορίζει τη συχνότητα μεταγωγής (ως σταθερά για συνθήκες σταθερής κατάστασης λειτουργίας) και παρέχει άμεση απόκριση στις δυναμικές αλλαγές φορτίου. Ο βρόχος ανάδρασης τάσης ρυθμίζει με ακρίβεια το φορτίο DC. Το εσωτερικά αντισταθμισμένο δίκτυο ρύθμισης επιτρέπει γρήγορη και σταθερή λειτουργία με μικρά εξωτερικά εξαρτήματα και χαμηλούς πυκνωτές ESR.

Εικόνα 3: Εφαρμογή της τοπολογίας DCS-ControlTM στον μετατροπέα buck TPS62130 (Πηγή: Texas Instruments)

Ο σύγχρονος μετατροπέας ισχύος μεταγωγής TPS6213xA-Q1 βασίζεται στην τοπολογία DCS-ControlTM και είναι βελτιστοποιημένος για εφαρμογές POL υψηλής πυκνότητας ισχύος. Η τυπική συχνότητα μεταγωγής 2,5 MHz επιτρέπει τη χρήση μικρών επαγωγέων και παρέχει γρήγορη παροδική απόκριση και υψηλή ακρίβεια τάσης εξόδου. Το TPS6213 λειτουργεί από εύρος τάσης εισόδου 3V έως 17V και μπορεί να παρέχει έως και 3Α συνεχούς ρεύματος μεταξύ τάσεων εξόδου 0,9V και 6V.