Kā strāvas padeves dizaina problēmas risina līdzstrāvas tehnoloģijas: 3 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:56

Es analizēšu, kā izaicinājuma barošanas bloka dizains atbilst DC-DC Technologies.

Energosistēmu dizaineri saskaras ar pastāvīgu tirgus spiedienu, lai atrastu veidus, kā maksimāli izmantot pieejamo jaudu. Pārnēsājamās ierīcēs augstāka efektivitāte pagarina akumulatora darbības laiku un mazākās pakās ievieto lielāku funkcionalitāti. Serveros un bāzes stacijās efektivitātes pieaugums var tieši ietaupīt infrastruktūru (dzesēšanas sistēmas) un ekspluatācijas izmaksas (elektrības rēķini). Lai apmierinātu tirgus prasības, sistēmu dizaineri uzlabo jaudas pārveidošanas procesus vairākās jomās, tostarp efektīvākas komutācijas topoloģijas, pakotnes jauninājumus un jaunas pusvadītāju ierīces, kuru pamatā ir silīcija karbīds (SiC) un gallija nitrīds (GaN).

1. darbība. Pārslēgšanas pārveidotāja topoloģijas uzlabošana

Lai pilnībā izmantotu pieejamo jaudu, cilvēki arvien vairāk izmanto dizainus, kuru pamatā ir komutācijas tehnoloģija, nevis lineāra tehnoloģija. Komutācijas barošanas avota (SMPS) efektīvā jauda pārsniedz 90%. Tas pagarina pārnēsājamo sistēmu akumulatora darbības laiku, samazina elektroenerģijas izmaksas lielām iekārtām un ietaupa vietu, kas iepriekš izmantota siltuma izlietnes sastāvdaļām.

Pārejai uz pārslēgtu topoloģiju ir zināmi trūkumi, un tās sarežģītākajam dizainam dizaineriem ir vajadzīgas vairākas prasmes. Projektēšanas inženieriem ir jāpārzina analogās un digitālās tehnoloģijas, elektromagnētika un slēgtā cikla vadība. Iespiesto shēmu plates (PCB) izstrādātājiem jāpievērš lielāka uzmanība elektromagnētiskajiem traucējumiem (EMI), jo augstfrekvences komutācijas viļņu formas var radīt problēmas jutīgās analogās un RF shēmās.

Pirms tranzistora izgudrošanas tika ierosināta komutācijas režīma jaudas pārveidošanas pamatkoncepcija: piemēram, Kate tipa induktīvās izlādes sistēma, kas tika izgudrota 1910. gadā un kurā izmantoja mehānisko vibratoru, lai ieviestu atpakaļgaitas pastiprinātāja pārveidotāju automobiļu aizdedzes sistēmai..

Lielākā daļa standarta topoloģiju pastāv jau gadu desmitiem, taču tas nenozīmē, ka inženieri nepielāgo standarta dizainu, lai pielāgotos jaunām lietojumprogrammām, jo īpaši vadības cilpām. Standarta arhitektūra izmanto fiksētu frekvenci, lai uzturētu nemainīgu izejas spriegumu, atgriežot daļu izejas sprieguma (sprieguma režīma vadība) vai kontrolējot indukciju strāvu (strāvas režīma vadība) dažādos slodzes apstākļos. Dizaineri nepārtraukti pilnveidojas, lai novērstu pamata dizaina trūkumus.

1. attēls ir slēgtas cilpas sprieguma režīma vadības (VMC) pamata sistēmas blokshēma. Barošanas posms sastāv no barošanas slēdža un izejas filtra. Kompensācijas blokā ietilpst izejas sprieguma dalītājs, kļūdu pastiprinātājs, atskaites spriegums un cilpas kompensācijas komponents. Impulsa platuma modulators (PWM) izmanto salīdzinātāju, lai salīdzinātu kļūdas signālu ar fiksētu rampas signālu, lai iegūtu izejas impulsu secību, kas ir proporcionāla kļūdas signālam.

Lai gan dažādām VMC sistēmas slodzēm ir stingri izvades noteikumi un tās ir viegli sinhronizēt ar ārējo pulksteni, standarta arhitektūrai ir daži trūkumi. Cilpas kompensācija samazina vadības cilpas joslas platumu un palēnina pārejošu reakciju; kļūdu pastiprinātājs palielina darba strāvu un samazina efektivitāti.

Pastāvīgā laika (COT) vadības shēma nodrošina labu pārejošu veiktspēju bez cilpas kompensācijas. COT vadība izmanto salīdzinātāju, lai salīdzinātu regulēto izejas spriegumu ar atskaites spriegumu: ja izejas spriegums ir mazāks par atsauces spriegumu, tiek ģenerēts fiksēts laika impulss. Pie zemas slodzes cikliem pārslēgšanās biežums ir ļoti augsts, tāpēc adaptīvais COT kontrolieris ģenerē laiku, kas mainās atkarībā no ieejas un izejas sprieguma, kas uztur frekvenci gandrīz nemainīgu vienmērīgā stāvoklī. Texas Instrument D-CAP topoloģija ir uzlabojums salīdzinājumā ar adaptīvo COT pieeju: D-CAP kontrolieris atgriezeniskās saites salīdzinājuma ievadei pievieno rampas spriegumu, kas uzlabo nervozitāti, samazinot trokšņa joslu lietojumprogrammā. 2. attēlā ir COT un D-CAP sistēmu salīdzinājums.

2. attēls. Standarta COT topoloģijas (a) un D-CAP topoloģijas (b) salīdzinājums (Avots: Texas Instruments) Dažādām vajadzībām ir vairāki dažādi D-CAP topoloģijas varianti. Piemēram, TPS53632 pustilta PWM kontrolieris izmanto D-CAP+ arhitektūru, kas galvenokārt tiek izmantota augstas strāvas pielietojumos un var palielināt jaudas līmeni līdz 1 MHz 48V līdz 1V POL pārveidotājos ar efektivitāti pat 92%.

Atšķirībā no D-CAP, D-CAP+ atgriezeniskās saites cilpa pievieno komponentu, kas ir proporcionāls inducētajai strāvai, lai precīzi kontrolētu kritienu. Palielināts kļūdu pastiprinātājs uzlabo līdzstrāvas slodzes precizitāti dažādos līnijas un slodzes apstākļos.

Kontroliera izejas spriegumu nosaka iekšējais DAC. Šis cikls sākas, kad pašreizējā atgriezeniskā saite sasniedz kļūdas sprieguma līmeni. Šis kļūdas spriegums atbilst pastiprinātajai sprieguma starpībai starp DAC iestatītā punkta spriegumu un atgriezeniskās saites izejas spriegumu.

2. darbība. Uzlabojiet veiktspēju vieglas slodzes apstākļos

Pārnēsājamām un valkājamām ierīcēm ir jāuzlabo veiktspēja nelielās slodzes apstākļos, lai pagarinātu akumulatora darbības laiku. Daudzas pārnēsājamas un valkājamas lietojumprogrammas lielākoties atrodas mazjaudas "pagaidu miega" vai "miega" gaidstāves režīmā, tiek aktivizētas tikai, reaģējot uz lietotāja ievadīto informāciju vai periodiskiem mērījumiem, tāpēc samaziniet enerģijas patēriņu gaidīšanas režīmā. Tā ir galvenā prioritāte.

DCS-ControlTM (tiešā vadība uz bezšuvju pāreju uz enerģijas taupīšanas režīmu) topoloģija apvieno trīs dažādu vadības shēmu (ti, histerēzes režīma, sprieguma režīma un strāvas režīma) priekšrocības, lai uzlabotu veiktspēju nelielas slodzes apstākļos, īpaši pārejot uz vai atstājot nelielu slodzes stāvokli. Šī topoloģija atbalsta PWM režīmus vidējām un smagām slodzēm, kā arī enerģijas taupīšanas režīmu (PSM) nelielām slodzēm.

PWM darbības laikā sistēma darbojas ar savu nominālo pārslēgšanās frekvenci, pamatojoties uz ieejas spriegumu, un kontrolē frekvences maiņu. Ja slodzes strāva samazinās, pārveidotājs pārslēdzas uz PSM, lai saglabātu augstu efektivitāti, līdz tas samazinās līdz ļoti vieglai slodzei. Pie PSM pārslēgšanās frekvence lineāri samazinās līdz ar slodzes strāvu. Abus režīmus kontrolē viens vadības bloks, tāpēc pāreja no PWM uz PSM ir nevainojama un neietekmē izejas spriegumu.

3. attēls ir DCS-ControlTM blokshēma. Vadības cilpa uztver informāciju par izejas sprieguma izmaiņām un padod to atpakaļ ātrajam salīdzinātājam. Salīdzinātājs iestata pārslēgšanās frekvenci (kā nemainīgu līdzsvara stāvokļa darbības apstākļos) un nodrošina tūlītēju reakciju uz dinamiskām slodzes izmaiņām. Sprieguma atgriezeniskā saite precīzi regulē līdzstrāvas slodzi. Iekšēji kompensētais regulēšanas tīkls nodrošina ātru un stabilu darbību ar maziem ārējiem komponentiem un zemiem ESR kondensatoriem.

3. attēls: DCS-ControlTM topoloģijas ieviešana TPS62130 buka pārveidotājā (Avots: Texas Instruments)

Sinhronās komutācijas jaudas pārveidotājs TPS6213xA-Q1 ir balstīts uz DCS-ControlTM topoloģiju un ir optimizēts augstas jaudas blīvuma POL lietojumiem. Tipiskā 2,5MHz pārslēgšanās frekvence ļauj izmantot mazus induktorus un nodrošina ātru pārejošu reakciju un augstu izejas sprieguma precizitāti. TPS6213 darbojas no ieejas sprieguma diapazona no 3V līdz 17V un var piegādāt līdz 3A nepārtrauktas strāvas starp 0,9V un 6V izejas spriegumu.