Kuidas toiteallika projekteerimise väljakutsed DC-DC tehnoloogiatega kokku puutuvad: 3 sammu

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:48

Analüüsin, kuidas DC-DC Technologies vastab väljakutse toiteploki disainile.

Elektrisüsteemide projekteerijad seisavad turul pidevalt silmitsi, et leida võimalusi olemasoleva energia maksimaalseks ärakasutamiseks. Kaasaskantavate seadmete puhul pikendab suurem efektiivsus aku kasutusaega ja paneb väiksematesse pakettidesse rohkem funktsioone. Serverites ja tugijaamades võib tõhususe suurenemine otseselt säästa infrastruktuuri (jahutussüsteemid) ja tegevuskulusid (elektriarveid). Turunõuete rahuldamiseks täiustavad süsteemidisainerid võimsuse muundamise protsesse mitmes valdkonnas, sealhulgas tõhusamaid lülitustopoloogiaid, pakettide uuendusi ja uusi pooljuhtseadmeid, mis põhinevad ränikarbiidil (SiC) ja galliumnitriidil (GaN).

1. samm: muunduri topoloogia muutmine

Olemasoleva võimsuse täielikuks ärakasutamiseks võtavad inimesed üha enam kasutusele disainilahendusi, mis põhinevad lülitamistehnoloogial, mitte lineaarsel tehnoloogial. Lülitustoiteallika (SMPS) efektiivne võimsus on üle 90%. See pikendab kaasaskantavate süsteemide aku kasutusaega, vähendab suurte seadmete elektrikulu ja säästab ruumi, mida varem kasutati jahutusradiaatorite komponentide jaoks.

Vahetatud topoloogiale üleminekul on teatud puudused ja selle keerukam disain nõuab disaineritelt mitmeid oskusi. Disainiinsenerid peavad tundma analoog- ja digitaaltehnoloogiaid, elektromagnetikat ja suletud ahelaga juhtimist. Trükkplaatide (PCB) disainerid peavad pöörama rohkem tähelepanu elektromagnetilistele häiretele (EMI), sest kõrgsageduslikud lülituslainekujud võivad põhjustada probleeme tundlikes analoog- ja raadioskeemides.

Enne transistori leiutamist pakuti välja lülitusrežiimi võimsuse muundamise põhikontseptsioon: näiteks 1910. aastal leiutatud Kate-tüüpi induktiivne tühjendussüsteem, mis kasutas mehaanilist vibraatorit, et rakendada õhusõiduki süütesüsteemi tagasivoolu suurendusmuundurit..

Enamik standardseid topoloogiaid on olnud juba aastakümneid, kuid see ei tähenda, et insenerid ei kohandaks standardseid disainilahendusi uute rakenduste, eriti juhtimisahelate jaoks. Standardarhitektuur kasutab konstantse väljundpinge säilitamiseks kindlat sagedust, toites osa väljundpingest tagasi (pingerežiimi juhtimine) või juhtides indutseeritud voolu (voolurežiimi juhtimine) erinevatel koormustingimustel. Disainerid täiustavad pidevalt, et ületada põhidisaini puudused.

Joonis 1 on põhilise suletud ahela pingerežiimi juhtimissüsteemi (VMC) plokkskeem. Toiteaste koosneb toitelülitist ja väljundfiltrist. Kompenseerimisplokk sisaldab väljundpinge jagajat, veavõimendit, võrdluspinget ja silmuse kompenseerimise komponenti. Impulsi laiuse modulaator (PWM) kasutab komparaatorit, et võrrelda veasignaali fikseeritud kaldtee signaaliga, et saada väljundsignaali jada, mis on proportsionaalne veasignaaliga.

Kuigi VMC -süsteemi erinevatel koormustel on ranged väljundreeglid ja neid on lihtne välise kellaga sünkroonida, on standardarhitektuuril mõningaid puudusi. Silmuse kompenseerimine vähendab juhtimisahela ribalaiust ja aeglustab mööduvat reageerimist; veavõimendi suurendab töövoolu ja vähendab efektiivsust.

Pidev õigeaegne (COT) juhtimisskeem tagab hea ajutise jõudluse ilma silmuse kompenseerimiseta. COT-juhtseade võrdleb reguleeritud väljundpinget võrdluspingega: kui väljundpinge on võrdluspingest väiksem, genereeritakse fikseeritud õigeaegne impulss. Madalate töötsüklite korral põhjustab see lülitussageduse väga suureks, nii et adaptiivne COT-regulaator genereerib aja, mis varieerub sõltuvalt sisend- ja väljundpingetest, mis hoiab sageduse püsivas olekus peaaegu konstantsena. Texas Instrumendi D-CAP-topoloogia on täiustus võrreldes adaptiivse COT-lähenemisega: D-CAP-kontroller lisab tagasiside võrdluse sisendile kaldpinge, mis parandab värisemist, vähendades rakenduse mürariba. Joonis 2 on COT- ja D-CAP-süsteemide võrdlus.

Joonis 2: standardse COT-topoloogia (a) ja D-CAP-topoloogia (b) võrdlus (Allikas: Texas Instruments) D-CAP-topoloogia erinevatel vajadustel on mitu varianti. Näiteks TPS53632 poolsillaga PWM-kontroller kasutab D-CAP+ arhitektuuri, mida kasutatakse peamiselt suure vooluga rakendustes ja mis suudab juhtida võimsust kuni 1 MHz 48V kuni 1V POL muundurites, mille efektiivsus on isegi 92%.

Erinevalt D-CAP-st lisab D-CAP+ tagasisideahel komponendi, mis on proportsionaalne indutseeritud vooluga, et täpselt langeda. Suurenenud veavõimendi parandab alalisvoolu koormuse täpsust erinevates liini- ja koormustingimustes.

Kontrolleri väljundpinge määrab sisemine DAC. See tsükkel algab siis, kui voolu tagasiside jõuab veapinge tasemele. See veapinge vastab võimendatud pinge erinevusele DAC seadepunkti pinge ja tagasiside väljundpinge vahel.

2. toiming: parandage jõudlust kerge koormuse tingimustes

Kaasaskantavate ja kantavate seadmete puhul on vaja parandada jõudlust kerge koormuse tingimustes, et pikendada aku kasutusaega. Paljud kaasaskantavad ja kantavad rakendused on suurema osa ajast vähese energiatarbega "ajutises unerežiimis" või "unerežiimis" ooterežiimis, aktiveeritud ainult vastavalt kasutaja sisendile või perioodilistele mõõtmistele, seega minimeerige ooterežiimis energiatarbimist. See on peamine prioriteet.

DCS-ControlTM (Direct Control to Seamless Transition to Energy Saver Mode) topoloogia ühendab kolme erineva juhtimisskeemi (st hüstereesirežiim, pingerežiim ja voolurežiim) eelised, et parandada jõudlust kerge koormuse tingimustes, eriti üleminekut või kerge koormuse olekust lahkumine. See topoloogia toetab keskmise ja suure koormusega PWM -režiime ning kergete koormuste korral energiasäästurežiimi (PSM).

PWM -i töötamise ajal töötab süsteem sisendpinge põhjal oma nimilülitussagedusel ja juhib sageduse muutust. Kui koormusvool väheneb, lülitub muundur PSM -i, et säilitada kõrge efektiivsus, kuni see langeb väga kergele koormusele. PSM -i korral väheneb lülitussagedus koormusvooluga lineaarselt. Mõlemat režiimi juhib üks juhtplokk, seega on üleminek PWM -lt PSM -ile sujuv ega mõjuta väljundpinget.

Joonis 3 on DCS-ControlTM plokkskeem. Juhtimisahel võtab teavet väljundpinge muutumise kohta ja suunab selle otse tagasi kiirele võrdlejale. Võrdlusseade määrab ümberlülitamissageduse (konstantsena püsiseisundi töötingimustes) ja annab kohese reageeringu dünaamilistele koormusmuutustele. Pinge tagasisideahel reguleerib täpselt alalisvoolu koormust. Sisemiselt kompenseeritud reguleerimisvõrk võimaldab kiiret ja stabiilset tööd väikeste väliste komponentide ja madalate ESR -kondensaatoritega.

Joonis 3: DCS-ControlTM topoloogia rakendamine TPS62130 buck converter (Allikas: Texas Instruments)

Sünkroonse lülitusvõimsuse muundur TPS6213xA-Q1 põhineb DCS-ControlTM topoloogial ja on optimeeritud suure võimsustihedusega POL-rakenduste jaoks. Tüüpiline 2,5MHz lülitussagedus võimaldab kasutada väikseid induktiivpoole ning tagab kiire mööduva reageerimise ja suure väljundpinge täpsuse. TPS6213 töötab sisendpingevahemikus 3V kuni 17V ja suudab väljastada kuni 3A pidevat voolu vahemikus 0,9V kuni 6V.