Hogyan felelnek meg a DC-DC Technologies tápegység-tervezési kihívásai: 3 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:41

Elemezem, hogy a DC-DC Technologies hogyan találkozik a kihívást jelentő tápegység-tervezéssel.

Az áramellátó rendszerek tervezői állandó nyomásnak vannak kitéve a piacon, hogy megtalálják a módját a rendelkezésre álló energia kihasználásának. A hordozható eszközökben a nagyobb hatékonyság meghosszabbítja az akkumulátor élettartamát, és több funkcionalitást biztosít a kisebb csomagokhoz. A szerverekben és a bázisállomásokon a hatékonyságnövekedés közvetlenül megtakaríthatja az infrastruktúrát (hűtőrendszerek) és az üzemeltetési költségeket (villanyszámla). A piaci igények kielégítése érdekében a rendszertervezők számos területen fejlesztik az energiaátalakítási folyamatokat, beleértve a hatékonyabb kapcsolási topológiákat, a csomag innovációit és a szilícium -karbidon (SiC) és a gallium -nitriden (GaN) alapuló új félvezető eszközöket.

1. lépés: A kapcsolóátalakító topológiájának javítása

A rendelkezésre álló energia teljes kihasználása érdekében az emberek egyre inkább a kapcsolási technológián alapuló terveket alkalmaznak, nem pedig a lineáris technológiát. A kapcsoló tápegység (SMPS) tényleges teljesítménye több mint 90%. Ez meghosszabbítja a hordozható rendszerek akkumulátorának élettartamát, csökkenti a nagy berendezések villamosenergia -költségeit, és helyet takarít meg a hűtőborda -alkatrészekhez.

A kapcsolt topológiára való áttérésnek bizonyos hátrányai vannak, és összetettebb kialakítása megköveteli a tervezőktől, hogy több készséggel rendelkezzenek. A tervezőmérnököknek ismerniük kell az analóg és digitális technológiákat, az elektromágnesességet és a zárt hurkú vezérlést. A nyomtatott áramkörök (PCB -k) tervezőinek nagyobb figyelmet kell fordítaniuk az elektromágneses interferenciára (EMI), mert a nagyfrekvenciás kapcsolási hullámformák problémákat okozhatnak az érzékeny analóg és RF áramkörökben.

A tranzisztor feltalálása előtt javasolták a kapcsolt üzemmódú teljesítményátalakítás alapkoncepcióját: például az 1910-ben feltalált Kate típusú induktív kisülési rendszert, amely mechanikus vibrátorral hajtotta végre a flyback boost konvertert egy autóipari gyújtórendszerhez..

A legtöbb szabványos topológia évtizedek óta létezik, de ez nem jelenti azt, hogy a mérnökök nem igazítják a szabványos kialakításokat az új alkalmazásokhoz, különösen a vezérlőhurkokhoz. A szabványos architektúra rögzített frekvenciát használ az állandó kimeneti feszültség fenntartására azáltal, hogy a kimeneti feszültség egy részét visszajuttatja (feszültség üzemmód vezérlés), vagy az indukált áramot szabályozza (árammód vezérlés) különböző terhelési körülmények között. A tervezők folyamatosan fejlődnek, hogy kiküszöböljék az alaptervezés hibáit.

Az 1. ábra egy alapvető zárt hurkú feszültség üzemmód (VMC) rendszer tömbvázlata. A teljesítményfokozat főkapcsolóból és kimeneti szűrőből áll. A kompenzációs blokk tartalmaz egy kimeneti feszültségosztót, egy hibaerősítőt, egy referenciafeszültséget és egy hurokkompenzáló komponenst. Az impulzusszélesség -modulátor (PWM) összehasonlító eszköz segítségével hasonlítja össze a hibajelet egy rögzített rámpajellel, hogy kimeneti impulzus -sorozatot állítson elő, amely arányos a hibajelekkel.

Bár a VMC rendszer különböző terhelései szigorú kimeneti szabályokkal rendelkeznek, és könnyen szinkronizálhatók a külső órával, a szabványos architektúrának van néhány hátránya. A hurokkompenzáció csökkenti a vezérlőhurok sávszélességét és lelassítja az átmeneti választ; a hibaerősítő növeli az üzemi áramot és csökkenti a hatékonyságot.

Az állandó on-time (COT) vezérlési séma jó átmeneti teljesítményt biztosít hurokkompenzáció nélkül. A COT vezérlő összehasonlítóval hasonlítja össze a szabályozott kimeneti feszültséget a referenciafeszültséggel: ha a kimeneti feszültség kisebb, mint a referencia feszültség, akkor rögzített, időben történő impulzus jön létre. Kis terhelési ciklusoknál ez nagyon magas kapcsolási frekvenciát okoz, ezért az adaptív COT vezérlő a bemeneti és kimeneti feszültségektől függően változó időzítést generál, ami szinte állandó értéken tartja a frekvenciát. A Texas Instrument D-CAP topológiája előrelépés az adaptív COT-megközelítéshez képest: a D-CAP vezérlő rámpafeszültséget ad a visszacsatoló összehasonlító bemenethez, ami javítja a remegés teljesítményét azáltal, hogy csökkenti az alkalmazás zajsávját. A 2. ábra a COT és D-CAP rendszerek összehasonlítása.

2. ábra: A standard COT topológia (a) és D-CAP topológia (b) összehasonlítása (Forrás: Texas Instruments) A D-CAP topológiának több különböző változata létezik, különböző igényekhez. Például a TPS53632 félhídos PWM vezérlő a D-CAP+ architektúrát használja, amelyet elsősorban nagyáramú alkalmazásokban használnak, és akár 1 MHz-es teljesítményszintet is képes meghajtani 48V-1V POL konverterekben, akár 92%-os hatékonysággal.

A D-CAP-tól eltérően a D-CAP+ visszacsatoló hurok az indukált árammal arányos komponenst ad a pontos lecsökkentés érdekében. A megnövelt hibaerősítő javítja az egyenáramú terhelés pontosságát különböző vonali és terhelési körülmények között.

A vezérlő kimeneti feszültségét a belső DAC állítja be. Ez a ciklus akkor kezdődik, amikor az áramvisszacsatolás eléri a hibafeszültség szintjét. Ez a hibafeszültség megfelel a DAC előírt feszültség és a visszacsatoló kimeneti feszültség közötti erősített feszültségkülönbségnek.

2. lépés: Javítsa a teljesítményt kis terhelési körülmények között

A hordozható és hordható eszközök esetében javítani kell a teljesítményt kis terhelési körülmények között az akkumulátor élettartamának meghosszabbítása érdekében. Sok hordozható és hordható alkalmazás legtöbbször alacsony energiafogyasztású "ideiglenes alvó" vagy "alvó" készenléti állapotban van, csak a felhasználói beavatkozások vagy időszakos mérések hatására aktiválódik, így készenléti állapotban minimálisra csökkenti az energiafogyasztást. Ez a legfőbb prioritás.

A DCS-ControlTM (Direct Control to Seamless Transition to Energy Saver Mode) topológia három különböző vezérlési séma (azaz hiszterézis, feszültség és áram mód) előnyeit ötvözi, hogy javítsa a teljesítményt kis terhelési körülmények között, különösen amikor elhagyja a könnyű terhelési állapotot. Ez a topológia támogatja a PWM módokat közepes és nehéz terhelésekhez, valamint az energiatakarékos módot (PSM) a könnyű terhelésekhez.

A PWM működése során a rendszer a bemeneti feszültség alapján a névleges kapcsolási frekvenciáján működik, és szabályozza a frekvenciaváltozást. Ha a terhelési áram csökken, az átalakító PSM -re kapcsol, hogy fenntartsa a magas hatásfokot, amíg nagyon kis terhelésre nem csökken. PSM esetén a kapcsolási frekvencia lineárisan csökken a terhelési árammal. Mindkét módot egyetlen vezérlőblokk vezérli, így a PWM -ről a PSM -re való átmenet zökkenőmentes, és nem befolyásolja a kimeneti feszültséget.

A 3. ábra a DCS-ControlTM tömbvázlata. A vezérlőhurok információt kap a kimeneti feszültség változásáról, és közvetlenül visszajuttatja a gyors összehasonlítóhoz. Az összehasonlító beállítja a kapcsolási gyakoriságot (állandó állapotú üzemi körülmények között), és azonnal reagál a dinamikus terhelésváltozásokra. A feszültség visszacsatoló hurok pontosan szabályozza az egyenáramú terhelést. A belsőleg kompenzált szabályozási hálózat lehetővé teszi a gyors és stabil működést kis külső alkatrészekkel és alacsony ESR kondenzátorokkal.

3. ábra: A DCS-ControlTM topológia megvalósítása a TPS62130 bak konverterben (Forrás: Texas Instruments)

A TPS6213xA-Q1 szinkron kapcsolóteljesítmény-átalakító a DCS-ControlTM topológián alapul, és nagy teljesítményű POL alkalmazásokhoz van optimalizálva. A tipikus 2,5 MHz -es kapcsolási frekvencia lehetővé teszi a kis induktivitások használatát, és gyors tranziens választ és nagy kimeneti feszültség pontosságot biztosít. A TPS6213 3V -17V bemeneti feszültségtartományból működik, és akár 3A folyamatos áramot képes leadni 0,9V és 6V kimeneti feszültség között.