چگونه چالش های طراحی منبع تغذیه توسط فناوری های DC-DC برطرف می شود: 3 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:55

من تجزیه و تحلیل می کنم که چگونه چالش طراحی منبع تغذیه توسط DC-DC Technologies برآورده می شود.

طراحان سیستم های قدرت با فشار مداوم بازار روبرو هستند تا راه هایی را برای استفاده بیشتر از توان موجود پیدا کنند. در دستگاه های قابل حمل ، بازده بیشتر عمر باتری را افزایش می دهد و عملکرد بیشتری را در بسته های کوچکتر قرار می دهد. در سرورها و ایستگاه های پایه ، افزایش بهره وری می تواند به طور مستقیم در زیرساخت ها (سیستم های خنک کننده) و هزینه های عملیاتی (قبض برق) صرفه جویی کند. برای برآوردن تقاضاهای بازار ، طراحان سیستم در حال بهبود فرآیندهای تبدیل قدرت در زمینه های مختلف هستند ، از جمله توپولوژی های سوئیچینگ کارآمدتر ، نوآوری های بسته و دستگاه های نیمه هادی جدید بر اساس کاربید سیلیکون (SiC) و گالیم نیترید (GaN).

مرحله 1: بهبود توپولوژی مبدل سوئیچینگ

برای بهره مندی کامل از توان موجود ، مردم به طور فزاینده ای از طرح های مبتنی بر فناوری سوئیچینگ استفاده می کنند تا فناوری خطی. منبع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) دارای قدرت م overثر بیش از 90 است. این باعث افزایش عمر باتری سیستم های قابل حمل ، کاهش هزینه برق برای تجهیزات بزرگ و صرفه جویی در فضا می شود که قبلاً برای اجزای هیت سینک استفاده می شد.

تغییر به توپولوژی تغییر یافته دارای معایب خاصی است و طراحی پیچیده تر آن طراحان را ملزم به داشتن مهارت های متعدد می کند. مهندسان طراحی باید با فناوری های آنالوگ و دیجیتال ، الکترومغناطیس و کنترل حلقه بسته آشنا باشند. طراحان تابلوهای مدار چاپی (PCB) باید به تداخل الکترومغناطیسی (EMI) توجه بیشتری داشته باشند زیرا شکل موج سوئیچ فرکانس بالا می تواند مشکلاتی را در مدارهای حساس آنالوگ و RF ایجاد کند.

قبل از اختراع ترانزیستور ، مفهوم اصلی تبدیل قدرت حالت سوئیچ ارائه شد: برای مثال ، سیستم تخلیه القایی نوع کیت که در سال 1910 اختراع شد ، که از یک ویبراتور مکانیکی برای پیاده سازی مبدل تقویت کننده برگشت به عقب برای سیستم احتراق خودرو استفاده می کرد. به

اکثر توپولوژی های استاندارد برای چندین دهه وجود داشته است ، اما این بدان معنا نیست که مهندسان طرح های استاندارد را برای استفاده از برنامه های جدید ، به ویژه حلقه های کنترل تنظیم نمی کنند. معماری استاندارد از یک فرکانس ثابت برای حفظ ولتاژ خروجی ثابت با تغذیه بخشی از ولتاژ خروجی (کنترل حالت ولتاژ) یا کنترل جریان القایی (کنترل حالت فعلی) در شرایط مختلف بار استفاده می کند. طراحان دائماً در حال پیشرفت هستند تا بر معایب طراحی اصلی غلبه کنند.

شکل 1 یک بلوک نمودار از یک سیستم کنترل ولتاژ حلقه بسته اصلی (VMC) است. مرحله قدرت شامل یک سوئیچ قدرت و یک فیلتر خروجی است. بلوک جبران شامل تقسیم کننده ولتاژ خروجی ، تقویت کننده خطا ، ولتاژ مرجع و جزء جبران حلقه است. یک تعدیل کننده عرض پالس (PWM) از یک مقایسه کننده برای مقایسه سیگنال خطا با یک سیگنال رمپ ثابت برای تولید توالی پالس خروجی متناسب با سیگنال خطا استفاده می کند.

اگرچه بارهای مختلف سیستم VMC دارای قوانین خروجی سختگیرانه ای هستند و همگام سازی آنها با ساعت خارجی آسان است ، معماری استاندارد دارای اشکالاتی است. جبران حلقه پهنای باند حلقه کنترل را کاهش می دهد و پاسخ گذرا را کند می کند. تقویت کننده خطا جریان کار را افزایش داده و کارایی را کاهش می دهد.

طرح کنترل به موقع (COT) عملکرد موقتی خوبی را بدون جبران حلقه ارائه می دهد. کنترل COT از یک مقایسه کننده برای مقایسه ولتاژ خروجی تنظیم شده با ولتاژ مرجع استفاده می کند: وقتی ولتاژ خروجی کمتر از ولتاژ مرجع باشد ، یک پالس ثابت در زمان تولید می شود. در چرخه های کم کار ، این باعث می شود فرکانس سوئیچ بسیار زیاد باشد ، بنابراین کنترل کننده تطبیقی COT یک زمان به موقع تولید می کند که با ولتاژهای ورودی و خروجی متفاوت است ، که فرکانس را تقریبا ثابت نگه می دارد. توپولوژی D-CAP Texas Instrument یک پیشرفت نسبت به روش COT تطبیقی است: کنترل کننده D-CAP یک ولتاژ رمپ به ورودی مقایسه کننده بازخورد اضافه می کند ، که با کاهش باند نویز در برنامه ، عملکرد jitter را بهبود می بخشد. شکل 2 مقایسه سیستم های COT و D-CAP است.

شکل 2: مقایسه توپولوژی استاندارد COT (a) و توپولوژی D-CAP (b) (منبع: Texas Instruments) چندین نوع مختلف از توپولوژی D-CAP برای نیازهای مختلف وجود دارد. به عنوان مثال ، کنترلر PWM نیمه پل TPS53632 از معماری D-CAP+ استفاده می کند ، که عمدتا در برنامه های با جریان بالا استفاده می شود و می تواند سطوح توان را تا 1 مگاهرتز در مبدل های POL 48V تا 1V با راندمان تا 92 drive افزایش دهد.

بر خلاف D-CAP ، حلقه بازخورد D-CAP+ یک جزء متناسب با جریان القایی برای کنترل دقیق افتادگی اضافه می کند. افزایش خطای تقویت کننده دقت بار DC را در شرایط مختلف خط و بار افزایش می دهد.

ولتاژ خروجی کنترل کننده توسط DAC داخلی تنظیم می شود. این چرخه زمانی شروع می شود که بازخورد فعلی به سطح ولتاژ خطا برسد. این ولتاژ خطا مربوط به تفاوت ولتاژ تقویت شده بین ولتاژ نقطه تنظیم DAC و ولتاژ خروجی بازخورد است.

مرحله 2: بهبود عملکرد در شرایط بار سبک

برای دستگاه های قابل حمل و پوشیدنی ، نیاز به بهبود عملکرد در شرایط بار سبک برای افزایش طول عمر باتری وجود دارد. بسیاری از برنامه های قابل حمل و پوشیدنی بیشتر اوقات در حالت کم مصرف "خواب موقت" یا "خواب" هستند ، فقط در پاسخ به ورودی کاربر یا اندازه گیری های دوره ای فعال می شوند ، بنابراین مصرف برق را در حالت آماده به کار به حداقل برسانید. اولویت اول است.

توپولوژی DCS-Control M (کنترل مستقیم به انتقال بدون درز به حالت صرفه جویی در مصرف انرژی) مزایای سه طرح مختلف کنترل (یعنی حالت پسماند ، حالت ولتاژ و حالت فعلی) را برای بهبود عملکرد در شرایط بار سبک ، به ویژه انتقال به یا هنگامی که خروج از حالت بار سبک این توپولوژی از حالت های PWM برای بارهای متوسط و سنگین و همچنین حالت ذخیره انرژی (PSM) برای بارهای سبک پشتیبانی می کند.

در طول عملکرد PWM ، سیستم بر اساس فرکانس سوئیچینگ خود بر اساس ولتاژ ورودی عمل می کند و تغییر فرکانس را کنترل می کند. اگر جریان بار کاهش یابد ، مبدل برای حفظ بازده بالا به PSM تغییر می کند تا زمانی که به بار بسیار سبک برسد. در PSM ، فرکانس سوئیچینگ به صورت خطی با جریان بار کاهش می یابد. هر دو حالت توسط یک بلوک کنترلی کنترل می شوند ، بنابراین انتقال از PWM به PSM بدون درز است و بر ولتاژ خروجی تأثیر نمی گذارد.

شکل 3 بلوک دیاگرام DCS-ControlTM است. حلقه کنترل اطلاعات مربوط به تغییر ولتاژ خروجی را می گیرد و مستقیماً به مقایسه کننده سریع باز می گرداند. مقایسه کننده فرکانس سوئیچینگ (به عنوان ثابت برای شرایط عملکرد حالت پایدار) را تنظیم می کند و پاسخ فوری به تغییرات بار پویا ارائه می دهد. حلقه بازخورد ولتاژ بار DC را به طور دقیق تنظیم می کند. شبکه تنظیم داخلی جبران شده عملکرد سریع و پایدار را با اجزای کوچک خارجی و خازنهای ESR پایین امکان پذیر می کند.

شکل 3: پیاده سازی توپولوژی DCS-ControlTM در مبدل باک TPS62130 (منبع: Texas Instruments)

مبدل توان سوئیچینگ سنکرون TPS6213xA-Q1 بر اساس توپولوژی DCS-ControlTM است و برای کاربردهای POL با چگالی توان بالا بهینه شده است. فرکانس سوئیچینگ معمولی 2.5 مگاهرتز امکان استفاده از سلف های کوچک را فراهم می کند و پاسخ گذرا سریع و دقت بالای ولتاژ خروجی را فراهم می کند. TPS6213 از محدوده ولتاژ ورودی 3 ولت تا 17 ولت کار می کند و می تواند تا 3 آمپر جریان مداوم بین ولتاژهای خروجی 0.9 تا 6 ولت را ارائه دهد.