DC-DC технологиялары арқылы электрмен жабдықтау жобасының қиындықтары қалай шешіледі: 3 қадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:25

Мен DC-DC Technologies электрмен жабдықтаудың күрделі жобасы қалай сәйкес келетінін талдаймын.

Қуат жүйесін жасаушылар қолда бар қуатты барынша тиімді пайдалану жолдарын іздестіру үшін нарықтан үнемі қысым көреді. Портативті құрылғыларда жоғары тиімділік батареяның қызмет ету мерзімін ұзартады және кішігірім пакеттерге көбірек функционалдылық береді. Серверлер мен базалық станцияларда тиімділіктің жоғарылауы инфрақұрылымды (салқындату жүйелері) және пайдалану шығындарын (электр энергиясына төлемдер) тікелей үнемдеуге мүмкіндік береді. Нарық сұранысын қанағаттандыру үшін жүйенің дизайнерлері бірнеше салада энергияны түрлендіру процестерін жақсартады, оның ішінде коммутациялық топологиялар, пакеттік инновациялар және кремний карбиді (SiC) мен галлий нитридіне (GaN) негізделген жаңа жартылай өткізгіш құрылғылар.

1 -қадам: Коммутациялық түрлендіргіш топологиясын жетілдіру

Қолда бар қуатты толық пайдалану үшін адамдар сызықтық технологияға емес, коммутация технологиясына негізделген конструкцияларды қабылдауда. Коммутациялық қуат көзі (SMPS) тиімді қуатқа 90%-дан асады. Бұл портативті жүйелердің батареяның қызмет ету мерзімін ұзартады, үлкен жабдықтар үшін электр энергиясының құнын төмендетеді және бұрын жылу қабылдағыш компоненттері үшін пайдаланылатын орынды үнемдейді.

Ауыстырылатын топологияға ауысудың белгілі бір кемшіліктері бар, ал оның күрделі дизайны дизайнерлерден бірнеше дағдыларды қажет етеді. Инженер-конструкторлар аналогты және цифрлық технологияларды, электромагнитті және жабық контурлы басқаруды білуі керек. Баспа платаларының (ПХД) конструкторлары электромагниттік кедергілерге (EMI) көбірек назар аударуы керек, себебі толқынның жоғары жиілікті ауыспалы формалары сезімтал аналогты және РЖ тізбектерінде проблемалар тудыруы мүмкін.

Транзисторды ойлап тапқанға дейін ауыспалы режимдегі энергияны түрлендірудің негізгі тұжырымдамасы ұсынылды: мысалы, 1910 жылы ойлап шығарылған Кейт типті индуктивті разряд жүйесі, ол автомобильді тұтату жүйесіне ұшатын күшейткіш түрлендіргішті енгізу үшін механикалық вибраторды қолданды..

Стандартты топологиялардың көпшілігі ондаған жылдар бойы болған, бірақ бұл инженерлер стандартты конструкцияларды жаңа қосымшаларды, әсіресе басқару ілмектерін орналастыру үшін реттемейді дегенді білдірмейді. Стандартты архитектура шығыс кернеуінің бір бөлігін беру (кернеу режимін басқару) немесе әр түрлі жүктеме жағдайында индукцияланған токты басқару (ток режимін басқару) арқылы тұрақты шығыс кернеуін ұстап тұру үшін тұрақты жиілікті қолданады. Дизайнерлер негізгі дизайндағы кемшіліктерді жою үшін үнемі жетілдіріп отырады.

1 -сурет - кернеу режимін басқарудың тұйық контурының негізгі жүйесінің блок -схемасы. Қуат сатысы қуат қосқышы мен шығыс сүзгісінен тұрады. Компенсациялық блок шығыс кернеуін бөлгішті, қатені күшейткішті, эталондық кернеуді және контурды өтеу компонентін қамтиды. Импульстік ен модуляторы (PWM) қате сигналына пропорционалды шығыс импульсінің реттілігін шығару үшін қате сигналын бекітілген рампалық сигналмен салыстыру үшін компараторды пайдаланады.

VMC жүйесінің әр түрлі жүктемелері қатаң шығару ережелеріне ие және сыртқы сағаттармен синхрондауға оңай болғанымен, стандартты архитектураның кейбір кемшіліктері бар. Циклды өтеу басқару циклінің өткізу қабілетін төмендетеді және өтпелі жауапты баяулатады; қате күшейткіш жұмыс ток күшін арттырады және тиімділікті төмендетеді.

Тұрақты жұмыс уақытының (COT) басқару схемасы циклды өтеместен жақсы өтпелі өнімділікті қамтамасыз етеді. COT бақылауы реттелетін шығыс кернеуін эталондық кернеумен салыстыру үшін компараторды қолданады: шығыс кернеуі эталондық кернеуден төмен болған кезде тұрақты импульсті генерациялайды. Төмен жұмыс циклдарында бұл коммутация жиілігінің өте жоғары болуына әкеледі, сондықтан бейімделген COT контроллері кіріс және шығыс кернеулеріне байланысты өзгеретін уақытты шығарады, бұл жиілікті тұрақты күйде тұрақты сақтайды. Texas Instrument D-CAP топологиясы-бұл адаптивті COT тәсілін жақсарту: D-CAP контроллері кері байланыс компараторының кірісіне рампалы кернеуді қосады, бұл қосымшадағы шу жолағын азайту арқылы дірілдің жұмысын жақсартады. 2-сурет COT және D-CAP жүйелерін салыстыру.

2-сурет: Стандартты COT топологиясын (a) және D-CAP топологиясын (b) салыстыру (Дереккөз: Texas Instruments) D-CAP топологиясының әр түрлі қажеттіліктерге арналған бірнеше түрлі нұсқалары бар. Мысалы, TPS53632 жартылай көпірлі PWM контроллері D-CAP+ архитектурасын қолданады, ол негізінен жоғары токты қосымшаларда қолданылады және тиімділігі 92%-ға дейінгі 48В-тен 1В-ге дейінгі ПОЛ түрлендіргіштерде 1МГц дейінгі қуат деңгейін басқара алады.

D-CAP-тан айырмашылығы, D-CAP+ кері байланыс циклы индукцияланған токқа пропорционалды компонентті қосады, бұл құлдырауды дәл бақылау үшін. Қате күшейткіштің жоғарылауы әр түрлі желі мен жүктеме жағдайында тұрақты ток жүктемесінің дәлдігін жақсартады.

Контроллердің шығыс кернеуі ішкі DAC арқылы орнатылады. Бұл цикл ағымдағы кері байланыс қате кернеу деңгейіне жеткенде басталады. Бұл қателік кернеу DAC белгіленген нүктелік кернеу мен кері байланыс кернеуі арасындағы күшейтілген кернеу айырмашылығына сәйкес келеді.

2 -қадам: Жеңіл жүктеме жағдайында өнімділікті жақсарту

Портативті және тозатын құрылғылар үшін батареяның қызмет ету мерзімін ұзарту үшін жеңіл жүктеме жағдайында өнімділікті жақсарту қажет. Көптеген портативті және киюге болатын қосымшалар көбінесе қуаты аз «уақытша ұйқы» немесе «ұйқы» күту режимінде болады, тек пайдаланушының енгізуіне немесе мерзімді өлшеулерге жауап ретінде қосылады, сондықтан күту режимінде қуат шығынын азайтыңыз. Бұл бірінші кезектегі міндет.

DCS-ControlTM (энергия үнемдеу режиміне біркелкі ауысуға тікелей басқару) топологиясы жеңіл жүктеме жағдайында өнімділікті жақсарту үшін үш түрлі басқару схемасының артықшылықтарын біріктіреді (яғни гистерезис режимі, кернеу режимі мен ток режимі), әсіресе ауысу немесе қашан. жеңіл жүктеме күйін қалдырады. Бұл топология орташа және ауыр жүктемелерге арналған PWM режимдерін, сондай -ақ жеңіл жүктемелер үшін қуатты үнемдеу режимін (PSM) қолдайды.

PWM жұмысы кезінде жүйе кіріс кернеуіне негізделген номиналды коммутация жиілігінде жұмыс істейді және жиіліктің өзгеруін бақылайды. Егер жүктеме тогы азаятын болса, конвертер PSM -ге ауысады, ол өте жеңіл жүктемеге түскенше жоғары тиімділікті сақтайды. PSM -де ауысу жиілігі жүктеме тогымен сызықты түрде төмендейді. Екі режим де бір басқару блогымен басқарылады, сондықтан PWM -ден PSM -ге ауысу үздіксіз және шығыс кернеуіне әсер етпейді.

3-сурет-DCS-ControlTM блок-схемасы. Басқару циклы шығыс кернеуінің өзгеруі туралы ақпаратты алады және оны тез салыстырғышқа жібереді. Салыстырғыш коммутация жиілігін орнатады (тұрақты жұмыс жағдайлары үшін тұрақты ретінде) және жүктеменің динамикалық өзгеруіне дереу жауап береді. Кернеудің кері байланысы тұрақты ток жүктемесін дәл реттейді. Ішкі компенсацияланған реттеу желісі шағын сыртқы компоненттермен және төмен ESR конденсаторлармен жылдам және тұрақты жұмыс жасауға мүмкіндік береді.

3-сурет: DCS-ControlTM топологиясын TPS62130 конвертерлік конвертерінде енгізу (Дереккөз: Texas Instruments)

TPS6213xA-Q1 синхронды коммутациялық қуат түрлендіргіші DCS-ControlTM топологиясына негізделген және жоғары тығыздықты POL қосымшалары үшін оңтайландырылған. Әдеттегі 2,5 МГц коммутациялық жиілік шағын индукторларды қолдануға мүмкіндік береді және жылдам өтпелі жауап пен шығыс кернеуінің дәлдігін қамтамасыз етеді. TPS6213 3В -тан 17В -қа дейінгі кіріс кернеу диапазонынан жұмыс істейді және 0,9 В пен 6 В шығыс кернеулерінің арасында 3А -ға дейін үздіксіз ток жеткізе алады.