Si ndeshen sfidat e projektimit të furnizimit me energji nga teknologjitë DC-DC: 3 hapa

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:19

Unë do të analizoj se si përputhet dizajni i furnizimit me energji elektrike nga DC-DC Technologies.

Projektuesit e sistemeve të energjisë po përballen me presion të vazhdueshëm nga tregu për të gjetur mënyra për të përfituar sa më shumë nga fuqia në dispozicion. Në pajisjet portative, efikasiteti më i lartë zgjat jetën e baterisë dhe vë më shumë funksionalitet në pako më të vogla. Në serverët dhe stacionet bazë, përfitimet nga efikasiteti mund të kursejnë drejtpërdrejt infrastrukturën (sistemet e ftohjes) dhe kostot e funksionimit (faturat e energjisë elektrike). Për të përmbushur kërkesat e tregut, projektuesit e sistemit po përmirësojnë proceset e konvertimit të energjisë në fusha të shumta, duke përfshirë topologjitë më efektive të ndërrimit, inovacionet e paketave dhe pajisjet e reja gjysmëpërçuese të bazuara në karabit të silikonit (SiC) dhe nitridit të galiumit (GaN).

Hapi 1: Përmirësimi i Topologjisë së Ndërrimit të Konvertuesit

Për të përfituar plotësisht nga fuqia në dispozicion, njerëzit po miratojnë gjithnjë e më shumë modele të bazuara në teknologjinë e ndërrimit sesa në teknologjinë lineare. Furnizimi me energji komutuese (SMPS) ka një fuqi efektive prej mbi 90%. Kjo zgjat jetën e baterisë së sistemeve portative, zvogëlon koston e energjisë elektrike për pajisjet e mëdha dhe kursen hapësirë të përdorur më parë për përbërësit e lavamanit.

Kalimi në një topologji të ndërruar ka disavantazhe të caktuara dhe dizajni i tij më kompleks kërkon që projektuesit të kenë aftësi të shumta. Inxhinierët e projektimit duhet të jenë të njohur me teknologjitë analoge dhe dixhitale, elektromagnetikën dhe kontrollin me qark të mbyllur. Projektuesit e bordeve të qarkut të shtypur (PCB) duhet t'i kushtojnë më shumë vëmendje ndërhyrjes elektromagnetike (EMI) sepse format e valëve të ndërrimit të frekuencës së lartë mund të shkaktojnë probleme në qarqet e ndjeshme analoge dhe RF.

Para shpikjes së tranzistorit, u propozua koncepti bazë i shndërrimit të fuqisë në modalitetin e ndërprerë: për shembull, sistemi i shkarkimit induktiv të tipit Kate i shpikur në 1910, i cili përdori një vibrator mekanik për të zbatuar një konvertues të rritjes së kthimit për një sistem të ndezjes automobilistike Me

Shumica e topologjive standarde kanë ekzistuar për dekada, por kjo nuk do të thotë që inxhinierët nuk i përshtatin modelet standarde për të akomoduar aplikime të reja, veçanërisht sythe kontrolli. Arkitektura standarde përdor një frekuencë fikse për të mbajtur një tension konstant dalës duke ushqyer një pjesë të tensionit të daljes (kontrolli i modalitetit të tensionit) ose duke kontrolluar rrymën e induktuar (kontrolli i modalitetit aktual) në kushte të ndryshme të ngarkesës. Projektuesit po përmirësohen vazhdimisht për të kapërcyer të metat e modelit bazë.

Figura 1 është një diagram bllok i një sistemi bazë të kontrollit të tensionit të qarkut të mbyllur (VMC). Faza e energjisë përbëhet nga një ndërprerës i energjisë dhe një filtër dalës. Blloku i kompensimit përfshin një ndarës të tensionit të daljes, një përforcues gabimi, një tension referimi dhe një komponent kompensimi të lakut. Një modulues i gjerësisë së pulsit (PWM) përdor një krahasues për të krahasuar sinjalin e gabimit me një sinjal fiks të devijimit për të prodhuar një sekuencë impulsi dalës që është proporcional me sinjalin e gabimit.

Edhe pse ngarkesat e ndryshme të sistemit VMC kanë rregulla strikte të daljes dhe janë të lehta për tu sinkronizuar me orën e jashtme, arkitektura standarde ka disa të meta. Kompensimi i lakut zvogëlon gjerësinë e brezit të lakut të kontrollit dhe ngadalëson përgjigjen kalimtare; amplifikatori i gabimit rrit rrymën e funksionimit dhe zvogëlon efikasitetin.

Skema e kontrollit të vazhdueshëm në kohë (COT) siguron performancë të mirë kalimtare pa kompensim të lakut. Kontrolli COT përdor një krahasues për të krahasuar tensionin e daljes të rregulluar me tensionin referues: kur voltazhi i daljes është më i vogël se voltazhi i referencës, gjenerohet një impuls fiks në kohë. Në ciklet e detyrave të ulëta, kjo bën që frekuenca e ndërrimit të jetë shumë e lartë, kështu që kontrolluesi adaptiv COT gjeneron një në kohë që ndryshon me tensionet hyrëse dhe dalëse, gjë që e mban frekuencën pothuajse konstante në gjendje të qëndrueshme. Topologjia D-CAP e Texas Instrument është një përmirësim mbi qasjen adaptive COT: kontrolluesi D-CAP shton një tension të pjerrësisë në hyrjen e krahasuesit të feedback-ut, i cili përmirëson performancën e tronditjes duke zvogëluar brezin e zhurmës në aplikim. Figura 2 është një krahasim i sistemeve COT dhe D-CAP.

Figura 2: Krahasimi i topologjisë standarde COT (a) dhe topologjisë D-CAP (b) (Burimi: Texas Instruments) Ekzistojnë disa variante të ndryshme të topologjisë D-CAP për nevoja të ndryshme. Për shembull, kontrolluesi PWM gjysmë-urë TPS53632 përdor arkitekturën D-CAP+, e cila përdoret kryesisht në aplikacione me rrymë të lartë dhe mund të nxisë nivele të fuqisë deri në 1MHz në konvertuesit POL 48V në 1V me efikasitet deri në 92%.

Ndryshe nga D-CAP, laku i reagimit D-CAP+ shton një komponent që është proporcional me rrymën e shkaktuar për kontroll të saktë të rënies. Përforcuesi i shtuar i gabimit përmirëson saktësinë e ngarkesës DC nën një sërë kushtesh të linjës dhe ngarkesës.

Tensioni i daljes së kontrolluesit përcaktohet nga DAC e brendshme. Ky cikël fillon kur reagimi aktual arrin nivelin e tensionit të gabimit. Ky tension gabimi korrespondon me ndryshimin e tensionit të amplifikuar midis tensionit të pikës së caktuar të DAC dhe tensionit të daljes së reagimit.

Hapi 2: Përmirësoni performancën në kushtet e ngarkesës së lehtë

Për pajisjet portative dhe të veshshme, ekziston nevoja për të përmirësuar performancën në kushtet e ngarkesës së lehtë për të zgjatur jetën e baterisë. Shumë aplikacione portative dhe të veshshme janë në një gjendje gatishmërie të ulët "gjumi të përkohshëm" ose "gjumë" në shumicën e kohës, të aktivizuara vetëm në përgjigje të hyrjes së përdoruesit ose matjeve periodike, kështu që minimizoni konsumin e energjisë në modalitetin e gatishmërisë. Shtë prioriteti kryesor.

Topologjia DCS-ControlTM (Kontrolli i drejtpërdrejtë në kalimin pa probleme në modalitetin e kursimit të energjisë) kombinon avantazhet e tre skemave të ndryshme të kontrollit (p.sh., mënyra e histerezës, mënyra e tensionit dhe mënyra aktuale) për të përmirësuar performancën në kushtet e ngarkesës së lehtë, veçanërisht kalimin në Ose kur duke lënë gjendjen e ngarkesës së lehtë. Kjo topologji mbështet mënyrat PWM për ngarkesa të mesme dhe të rënda, si dhe modalitetin e kursimit të energjisë (PSM) për ngarkesa të lehta.

Gjatë funksionimit të PWM, sistemi funksionon me frekuencën e tij të kalimit të vlerësuar bazuar në tensionin e hyrjes dhe kontrollon ndryshimin e frekuencës. Nëse rryma e ngarkesës zvogëlohet, konvertuesi kalon në PSM për të ruajtur efikasitetin e lartë derisa të bjerë në një ngarkesë shumë të lehtë. Në PSM, frekuenca e ndërrimit zvogëlohet në mënyrë lineare me rrymën e ngarkesës. Të dyja mënyrat kontrollohen nga një bllok i vetëm kontrolli, kështu që kalimi nga PWM në PSM është i qetë dhe nuk ndikon në tensionin e daljes.

Figura 3 është një diagram bllok i DCS-ControlTM. Cikli i kontrollit merr informacion në lidhje me ndryshimin e tensionit të daljes dhe e furnizon atë drejtpërdrejt me krahasuesin e shpejtë. Krahasuesi vendos frekuencën e ndërrimit (si një konstante për kushtet e funksionimit në gjendje të qëndrueshme) dhe siguron një përgjigje të menjëhershme ndaj ndryshimeve dinamike të ngarkesës. Lakri i reagimit të tensionit rregullon me saktësi ngarkesën DC. Rrjeti rregullues i kompensuar nga brenda mundëson funksionim të shpejtë dhe të qëndrueshëm me përbërës të vegjël të jashtëm dhe kondensatorë të ulët ESR.

Figura 3: Zbatimi i topologjisë DCS-ControlTM në konvertuesin TPS62130 buck (Burimi: Texas Instruments)

Konvertuesi sinkron i fuqisë komutuese TPS6213xA-Q1 bazohet në topologjinë DCS-ControlTM dhe është i optimizuar për aplikimet POL me densitet të lartë të fuqisë. Frekuenca tipike e ndërrimit 2.5MHz lejon përdorimin e induktorëve të vegjël dhe siguron përgjigje të shpejtë kalimtare dhe saktësi të lartë të tensionit të daljes. TPS6213 funksionon nga një gamë e tensionit hyrës prej 3V deri në 17V dhe mund të japë deri në 3A rrymë të vazhdueshme midis tensioneve të prodhimit 0.9V dhe 6V.