DC-DC Texnologiyaları ilə Enerji Təchizatı Dizaynının Çətinlikləri Necə Qarşılaşır: 3 Addım

2024 Müəllif: John Day | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-30 07:46

DC-DC Technologies tərəfindən enerji təchizatı dizaynının necə cavab verdiyini təhlil edəcəyəm.

Güc sistemi dizaynerləri, mövcud gücdən maksimum istifadə etməyin yollarını tapmaq üçün bazarın davamlı təzyiqi ilə üzləşirlər. Portativ cihazlarda, daha yüksək səmərəlilik batareyanın ömrünü uzadır və daha kiçik paketlərə daha çox funksionallıq qoyur. Serverlərdə və baza stansiyalarında səmərəliliyin artması birbaşa infrastruktura (soyutma sistemlərinə) və əməliyyat xərclərinə (elektrik fakturalarına) qənaət edə bilər. Bazar tələbatlarını ödəmək üçün sistem dizaynerləri daha səmərəli keçid topologiyaları, paket yenilikləri və silikon karbid (SiC) və galyum nitrid (GaN) əsasında yeni yarımkeçirici qurğular daxil olmaqla bir çox sahədə gücün çevrilməsi proseslərini təkmilləşdirirlər.

Addım 1: Dəyişdirici Konverter Topologiyasının Təkmilləşdirilməsi

Mövcud gücdən tam istifadə etmək üçün insanlar getdikcə xətti texnologiyaya deyil, keçid texnologiyasına əsaslanan dizaynları mənimsəyirlər. Kommutasiya enerji təchizatı (SMPS) 90%-dən çox təsirli gücə malikdir. Bu, portativ sistemlərin batareya ömrünü uzadır, böyük avadanlıqlar üçün elektrik enerjisinin dəyərini azaldır və əvvəllər istilik emici komponentləri üçün istifadə olunan yerdən qənaət edir.

Keçirilən topologiyaya keçməyin müəyyən çatışmazlıqları var və onun daha mürəkkəb dizaynı dizaynerlərin çoxlu bacarıqlara malik olmasını tələb edir. Dizayn mühəndisləri analoq və rəqəmsal texnologiyalar, elektromaqnit və qapalı idarəetmə ilə tanış olmalıdırlar. Çaplı elektron lövhələrin (PCB) dizaynerləri elektromaqnit müdaxiləsinə (EMI) daha çox diqqət yetirməlidirlər, çünki yüksək tezlikli keçid dalğa formaları həssas analoq və RF dövrələrində problem yarada bilər.

Transistorun icad edilməsindən əvvəl, keçid rejimində enerji çevrilməsinin əsas konsepsiyası təklif edildi: məsələn, 1910-cu ildə icad edilən Kate tipli induktiv boşaltma sistemi, bir avtomobil alovlanma sistemi üçün bir geri dönmə gücləndiricisini tətbiq etmək üçün mexaniki vibratordan istifadə etdi..

Standart topologiyaların əksəriyyəti onilliklərdir ki, mövcuddur, lakin bu, mühəndislərin yeni dizaynları, xüsusən də idarəetmə döngələrini yerləşdirmək üçün standart dizaynları düzəltmədiyi anlamına gəlmir. Standart memarlıq, fərqli yük şəraitində çıxış gərginliyinin bir hissəsini geri qaytarmaqla (gərginlik rejiminə nəzarət) və ya induksiya olunan cərəyanı (cari rejimin idarə edilməsi) sabit bir çıxış gərginliyini saxlamaq üçün sabit bir tezlikdən istifadə edir. Dizaynerlər əsas dizaynın qüsurlarını aradan qaldırmaq üçün daim təkmilləşirlər.

Şəkil 1, əsas qapalı dövrə gərginlik rejiminə nəzarət (VMC) sisteminin blok diaqramıdır. Güc mərhələsi bir güc açarı və bir çıxış filtrindən ibarətdir. Kompensasiya blokuna bir çıxış gərginliyi bölücü, bir səhv gücləndirici, bir istinad gərginliyi və bir döngə kompensasiya komponenti daxildir. Nəbz genişliyi modulyatoru (PWM), səhv siqnalına mütənasib bir çıxış nəbzi ardıcıllığı yaratmaq üçün səhv siqnalını sabit bir rampa siqnalına müqayisə etmək üçün bir müqayisə aparatından istifadə edir.

VMC sisteminin fərqli yüklərində ciddi çıxış qaydaları olsa da və xarici saatla sinxronizasiya etmək asan olsa da, standart memarlığın bəzi çatışmazlıqları var. Döngə kompensasiyası idarəetmə döngəsinin bant genişliyini azaldır və keçici cavabı ləngidir; səhv gücləndiricisi iş cərəyanını artırır və səmərəliliyi azaldır.

Daimi vaxt (COT) nəzarət sxemi, loop kompensasiyası olmadan yaxşı keçici performans təmin edir. COT nəzarəti, tənzimlənən çıxış gərginliyini istinad gərginliyi ilə müqayisə etmək üçün bir müqayisə aparatından istifadə edir: çıxış gərginliyi istinad gərginliyindən az olduqda, sabit bir vaxt nəbzi yaranır. Aşağı vəzifəli dövrlərdə bu, keçid tezliyinin çox yüksək olmasına səbəb olur, buna görə də adaptiv COT nəzarətçisi, giriş və çıxış gərginliklərinə görə dəyişən bir vaxt yaradır və bu da tezliyi sabit vəziyyətdə saxlayır. Texas Instrument-in D-CAP topologiyası, adaptiv COT yanaşması üzərində bir inkişafdır: D-CAP nəzarətçisi, geribildirim müqayisə cihazının girişinə rampa gərginliyi əlavə edir, bu da tətbiqdəki səs-küy bantını azaldaraq titrəmə performansını artırır. Şəkil 2, COT və D-CAP sistemlərinin müqayisəsidir.

Şəkil 2: Standart COT topologiyası (a) və D-CAP topologiyasının (b) müqayisəsi (Mənbə: Texas Instruments) Fərqli ehtiyaclar üçün D-CAP topologiyasının bir neçə fərqli variantı mövcuddur. Məsələn, TPS53632 yarım körpü PWM nəzarətçisi, ilk növbədə yüksək cərəyan tətbiqlərində istifadə olunan və səmərəliliyi 92%-ə qədər olan 48V ilə 1V POL çeviricilərində 1MHz-ə qədər güc səviyyələrini idarə edə bilən D-CAP+ arxitekturasından istifadə edir.

D-CAP-dan fərqli olaraq, D-CAP+ geribildirim döngəsi, dəqiq əyilmə nəzarəti üçün induksiya olunan cərəyana mütənasib bir komponent əlavə edir. Artırılmış səhv gücləndiricisi, müxtəlif xətt və yük şərtlərində DC yükünün dəqiqliyini artırır.

Nəzarətçinin çıxış gərginliyi daxili DAC tərəfindən təyin edilir. Bu dövr, mövcud geribildirim səhv gərginliyi səviyyəsinə çatdıqda başlayır. Bu səhv gərginliyi, DAC təyin nöqtəsi gərginliyi ilə geribildirim çıxış gərginliyi arasındakı gücləndirilmiş gərginlik fərqinə uyğundur.

Addım 2: Yüngül Yük Şərtlərində Performansı Təkmilləşdirin

Portativ və geyilə bilən qurğular üçün, batareyanın ömrünü uzatmaq üçün yüngül yük şəraitində performansı yaxşılaşdırmağa ehtiyac var. Bir çox portativ və geyilə bilən tətbiqlər çox vaxt aşağı gücə malik "müvəqqəti yuxu" və ya "yuxu" gözləmə rejimində olur, yalnız istifadəçi girişinə və ya dövri ölçülərə cavab olaraq aktivləşdirilir, buna görə də gözləmə rejimində enerji istehlakını minimuma endirin. Əsas prioritetdir.

DCS-ControlTM (Enerjiyə Qənaət Rejiminə Sorunsuz Keçməyə Doğrudan Nəzarət) topologiyası, yüngül yük şəraitində, xüsusən də ya yüngül yük vəziyyətini tərk edir. Bu topologiya orta və ağır yüklər üçün PWM rejimlərini, həmçinin yüngül yüklər üçün enerji qənaət rejimini (PSM) dəstəkləyir.

PWM istismarı zamanı sistem, giriş gərginliyinə əsaslanan nominal keçid tezliyində işləyir və tezlik dəyişikliyinə nəzarət edir. Yük cərəyanı azalsa, konvertor çox yüngül bir yükə düşənə qədər yüksək səmərəliliyi qorumaq üçün PSM -ə keçir. PSM -də keçid tezliyi yük axını ilə xətti olaraq azalır. Hər iki rejim tək bir idarəetmə bloku tərəfindən idarə olunur, buna görə PWM -dən PSM -ə keçid problemsizdir və çıxış gərginliyinə təsir etmir.

Şəkil 3 DCS-ControlTM-in blok diaqramıdır. Nəzarət döngəsi çıxış gərginliyindəki dəyişiklik haqqında məlumat alır və onu birbaşa sürətli müqayisə cihazına ötürür. Komparator keçid tezliyini təyin edir (sabit iş şəraitində sabit kimi) və dinamik yük dəyişikliklərinə dərhal cavab verir. Gerilim geribildirim döngəsi DC yükünü dəqiq tənzimləyir. Daxili kompensasiya edilmiş tənzimləmə şəbəkəsi kiçik xarici komponentlər və aşağı ESR kondansatörləri ilə sürətli və sabit işləməyə imkan verir.

Şəkil 3: TPS62130 buck çeviricisində DCS-ControlTM topologiyasının tətbiqi (Mənbə: Texas Instruments)

TPS6213xA-Q1 sinxron keçid güc çeviricisi DCS-ControlTM topologiyasına əsaslanır və yüksək güc sıxlığı POL tətbiqləri üçün optimallaşdırılmışdır. Tipik 2.5MHz keçid tezliyi kiçik induktorların istifadəsinə imkan verir və sürətli keçici reaksiya və yüksək çıxış gərginliyi dəqiqliyi təmin edir. TPS6213, 3V -dan 17V -a qədər bir giriş gərginliyi aralığından işləyir və 0.9V -dan 6V -a qədər 3A -a qədər davamlı cərəyan verə bilir.