Как се срещат предизвикателствата при проектирането на захранване от DC-DC Technologies: 3 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:52

Ще анализирам как отговаря предизвикателството дизайн на захранването от DC-DC Technologies.

Проектантите на електроенергийни системи са изправени пред постоянен натиск от страна на пазара да намерят начини да се възползват максимално от наличната мощност. В преносимите устройства по -високата ефективност удължава живота на батерията и поставя повече функционалност в по -малки пакети. В сървърите и базовите станции повишаването на ефективността може директно да спести инфраструктура (охладителни системи) и експлоатационни разходи (сметки за електроенергия). За да отговорят на изискванията на пазара, дизайнерите на системи подобряват процесите на преобразуване на енергия в множество области, включително по -ефективни топологии на превключване, иновации в пакетите и нови полупроводникови устройства на базата на силициев карбид (SiC) и галиев нитрид (GaN).

Стъпка 1: Подобряване на топологията на превключващия преобразувател

За да се възползват максимално от наличната мощност, хората все повече възприемат проекти, базирани на технология за превключване, а не на линейна технология. Превключващото захранване (SMPS) има ефективна мощност над 90%. Това удължава живота на батерията на преносимите системи, намалява разходите за електроенергия за голямо оборудване и спестява място, използвано преди това за компонентите на радиатора.

Преминаването към комутирана топология има определени недостатъци, а по -сложният му дизайн изисква от дизайнерите да имат множество умения. Проектантските инженери трябва да са запознати с аналоговите и цифровите технологии, електромагнитността и управлението със затворен контур. Проектантите на печатни платки (ПХБ) трябва да обърнат по -голямо внимание на електромагнитните смущения (EMI), тъй като високочестотните комутационни форми на превключване могат да причинят проблеми в чувствителните аналогови и RF схеми.

Преди изобретяването на транзистора беше предложена основната концепция за преобразуване на мощността в превключен режим: например индуктивната разрядна система от типа Кейт, изобретена през 1910 г., която използва механичен вибратор за внедряване на ускорителен преобразувател за автомобилна система за запалване.

Повечето стандартни топологии съществуват от десетилетия, но това не означава, че инженерите не приспособяват стандартните дизайни, за да приспособят нови приложения, особено контролни контури. Стандартната архитектура използва фиксирана честота за поддържане на постоянно изходно напрежение чрез връщане на част от изходното напрежение (управление в режим на напрежение) или управление на индуцирания ток (управление в режим на ток) при различни условия на натоварване. Дизайнерите непрекъснато се усъвършенстват, за да преодолеят недостатъците на основния дизайн.

Фигура 1 е блокова диаграма на основна система за управление на напрежение в затворен контур (VMC). Степента на захранване се състои от превключвател на захранването и изходен филтър. Компенсационният блок включва делител на изходно напрежение, усилвател на грешки, референтно напрежение и компонент за компенсация на контура. Модулаторът с широчина на импулса (PWM) използва сравнител за сравняване на сигнала за грешка с сигнал с фиксирана рампа, за да се получи изходна импулсна последователност, която е пропорционална на сигнала за грешка.

Въпреки че различните натоварвания на системата VMC имат строги правила за изход и са лесни за синхронизиране с външния часовник, стандартната архитектура има някои недостатъци. Компенсацията на контура намалява честотната лента на контролния контур и забавя преходната реакция; усилвателят на грешки увеличава работния ток и намалява ефективността.

Схемата за управление с постоянно включване (COT) осигурява добро преходно представяне без компенсация на контура. COT контролът използва компаратор за сравняване на регулираното изходно напрежение с референтното напрежение: когато изходното напрежение е по-малко от референтното напрежение, се генерира фиксиран импулс за време. При ниски работни цикли това води до много висока честота на превключване, така че адаптивният COT контролер генерира време за включване, което варира в зависимост от входното и изходното напрежение, което поддържа честотата почти постоянна в стационарно състояние. Топологията D-CAP на Texas Instrument е подобрение в сравнение с адаптивния COT подход: контролерът D-CAP добавя напрежение на рампата към входа на сравнителя на обратната връзка, което подобрява производителността на трептене чрез намаляване на шумовата лента в приложението. Фигура 2 е сравнение на COT и D-CAP системите.

Фигура 2: Сравнение на стандартна COT топология (а) и D-CAP топология (б) (Източник: Texas Instruments) Има няколко различни варианта на D-CAP топологията за различни нужди. Например, полумостовият PWM контролер TPS53632 използва D-CAP+ архитектурата, която се използва предимно в приложения с висок ток и може да управлява нива на мощност до 1MHz в 48V до 1V POL преобразуватели с ефективност до 92%.

За разлика от D-CAP, контурът за обратна връзка D-CAP+ добавя компонент, който е пропорционален на индуцирания ток за прецизно управление на увисването. Усилвателят с повишена грешка подобрява точността на DC натоварването при различни условия на линия и натоварване.

Изходното напрежение на контролера се задава от вътрешния DAC. Този цикъл започва, когато текущата обратна връзка достигне нивото на напрежение на грешката. Това напрежение на грешката съответства на усилената разлика в напрежението между зададеното напрежение на DAC и изходното напрежение на обратната връзка.

Стъпка 2: Подобрете производителността при условия на леко натоварване

За преносими и носими устройства е необходимо да се подобрят производителността при условия на леко натоварване, за да се удължи живота на батерията. Много преносими и носими приложения са в режим на готовност „временен сън“или „сън“с ниска мощност през по-голямата част от времето, активирани само в отговор на въвеждане от потребителя или периодични измервания, така че минимизирайте консумацията на енергия в режим на готовност. Това е най -важният приоритет.

Топологията DCS-Control ™ (Директен контрол към безпроблемен преход към режим на пестене на енергия) комбинира предимствата на три различни схеми за управление (т.е. режим на хистерезис, режим на напрежение и режим на ток) за подобряване на производителността при условия на леко натоварване, особено при преминаване към Или когато излизане от състоянието на леко натоварване. Тази топология поддържа режими на ШИМ за средни и тежки товари, както и режим за пестене на енергия (PSM) за леки товари.

По време на работа с ШИМ системата работи с номиналната честота на превключване въз основа на входното напрежение и контролира промяната на честотата. Ако токът на натоварване намалее, преобразувателят превключва на PSM, за да поддържа висока ефективност, докато падне до много леко натоварване. При PSM честотата на превключване намалява линейно с тока на натоварване. И двата режима се управляват от един контролен блок, така че преходът от ШИМ към PSM е безпроблемен и не влияе на изходното напрежение.

Фигура 3 е блок-схема на DCS-Control ™. Контролният контур приема информация за промяната на изходното напрежение и я подава директно обратно към бързия компаратор. Компараторът задава честотата на превключване (като константа за стационарни условия на работа) и осигурява незабавен отговор на динамичните промени на натоварването. Контурът за обратна връзка по напрежение точно регулира DC товара. Вътрешно компенсираната регулационна мрежа позволява бърза и стабилна работа с малки външни компоненти и ниски ESR кондензатори.

Фигура 3: Внедряване на топологията DCS-Control ™ в конвертора на долари TPS62130 (Източник: Texas Instruments)

Синхронният превключващ преобразувател на мощност на TPS6213xA-Q1 се основава на топологията DCS-Control ™ и е оптимизиран за POL приложения с висока плътност на мощността. Типичната честота на превключване от 2,5 MHz позволява използването на малки индуктори и осигурява бърз преходен отговор и висока точност на изходното напрежение. TPS6213 работи от диапазон на входното напрежение от 3V до 17V и може да достави до 3A непрекъснат ток между 0,9V и 6V изходно напрежение.