Bagaimana Cabaran Reka Bentuk Bekalan Tenaga Dihadapi oleh Teknologi DC-DC: 3 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:09

Saya akan menganalisis bagaimana reka bentuk bekalan kuasa cabaran dihadapi oleh DC-DC Technologies.

Pereka sistem kuasa menghadapi tekanan berterusan dari pasaran untuk mencari cara untuk memanfaatkan sepenuhnya tenaga yang ada. Dalam peranti mudah alih, kecekapan yang lebih tinggi memperpanjang jangka hayat bateri dan meletakkan lebih banyak fungsi ke dalam pakej yang lebih kecil. Di pelayan dan stesen pangkalan, keuntungan kecekapan secara langsung dapat menjimatkan infrastruktur (sistem penyejukan) dan kos operasi (bil elektrik). Untuk memenuhi permintaan pasaran, pereka sistem meningkatkan proses penukaran kuasa di pelbagai bidang, termasuk menukar topologi yang lebih cekap, inovasi pakej, dan peranti semikonduktor baru berdasarkan silikon karbida (SiC) dan gallium nitride (GaN).

Langkah 1: Peningkatan Topologi Penukaran Beralih

Untuk memanfaatkan sepenuhnya kuasa yang ada, orang semakin menggunakan reka bentuk berdasarkan teknologi beralih daripada teknologi linear. Bekalan kuasa beralih (SMPS) mempunyai kuasa efektif melebihi 90%. Ini memanjangkan jangka hayat bateri sistem mudah alih, mengurangkan kos elektrik untuk peralatan besar, dan menjimatkan ruang yang sebelumnya digunakan untuk komponen pendingin.

Beralih ke topologi yang diubah mempunyai kekurangan tertentu, dan reka bentuknya yang lebih kompleks memerlukan para pereka mempunyai pelbagai kemahiran. Jurutera reka bentuk mesti biasa dengan teknologi analog dan digital, elektromagnetik, dan kawalan gelung tertutup. Pereka papan litar bercetak (PCB) mesti memberi perhatian lebih kepada gangguan elektromagnetik (EMI) kerana bentuk gelombang beralih frekuensi tinggi boleh menyebabkan masalah pada litar analog dan RF sensitif.

Sebelum penemuan transistor, konsep asas penukaran kuasa mod suis telah diusulkan: misalnya, sistem pelepasan induktif jenis Kate yang diciptakan pada tahun 1910, yang menggunakan alat penggetar mekanik untuk melaksanakan penukar penguat flyback untuk sistem pencucuhan automotif.

Sebilangan besar topologi standard telah wujud selama beberapa dekad, tetapi itu tidak bermaksud jurutera tidak menyesuaikan reka bentuk standard untuk menampung aplikasi baru, terutamanya gelung kawalan. Senibina standard menggunakan frekuensi tetap untuk mengekalkan voltan keluaran yang tetap dengan memberi makan sebahagian daripada voltan keluaran (kawalan mod voltan) atau mengawal arus aruhan (kawalan mod semasa) dalam keadaan beban yang berbeza. Pereka sentiasa bertambah baik untuk mengatasi kekurangan reka bentuk asas.

Rajah 1 adalah gambarajah blok sistem kawalan mod voltan gelung tertutup (VMC) asas. Tahap daya terdiri daripada suis kuasa dan penapis output. Blok pampasan merangkumi pembahagi voltan keluaran, penguat ralat, voltan rujukan, dan komponen pampasan gelung. Modulator lebar nadi (PWM) menggunakan pembanding untuk membandingkan isyarat ralat dengan isyarat tanjakan tetap untuk menghasilkan urutan nadi output yang sebanding dengan isyarat ralat.

Walaupun beban sistem VMC yang berbeza mempunyai peraturan output yang ketat dan mudah diselaraskan dengan jam luaran, seni bina standard mempunyai beberapa kekurangan. Pampasan gelung mengurangkan lebar jalur gelung kawalan dan melambatkan tindak balas sementara; penguat ralat meningkatkan arus operasi dan mengurangkan kecekapan.

Skema kawalan masa tetap (COT) memberikan prestasi sementara yang baik tanpa pampasan gelung. Kontrol COT menggunakan pembanding untuk membandingkan voltan keluaran terkawal dengan voltan rujukan: apabila voltan keluaran kurang daripada voltan rujukan, nadi tepat waktu tetap dihasilkan. Pada kitaran tugas rendah, ini menyebabkan frekuensi pensuisan menjadi sangat tinggi, jadi pengawal COT adaptif menghasilkan masa tepat yang berbeza-beza dengan voltan input dan output, yang menjadikan frekuensi hampir tetap pada keadaan stabil. Topologi D-CAP Texas Instrument adalah peningkatan berbanding pendekatan COT adaptif: pengawal D-CAP menambah voltan tanjakan pada input pembanding maklum balas, yang meningkatkan prestasi jitter dengan mengurangkan jalur kebisingan dalam aplikasi. Rajah 2 adalah perbandingan sistem COT dan D-CAP.

Gambar 2: Perbandingan topologi COT standard (a) dan topologi D-CAP (b) (Sumber: Texas Instruments) Terdapat beberapa varian topologi D-CAP yang berbeza untuk keperluan yang berbeza. Sebagai contoh, pengawal PWM separuh jambatan TPS53632 menggunakan seni bina D-CAP +, yang terutama digunakan dalam aplikasi arus tinggi dan dapat mendorong tahap kuasa hingga 1MHz dalam penukar POL 48V hingga 1V dengan kecekapan setinggi 92%.

Tidak seperti D-CAP, gelung maklum balas D-CAP + menambahkan komponen yang sebanding dengan arus yang diinduksi untuk kawalan terkulai tepat. Penguat ralat yang meningkat meningkatkan ketepatan beban DC dalam pelbagai keadaan garisan dan beban.

Voltan output pengawal ditetapkan oleh DAC dalaman. Kitaran ini bermula apabila maklum balas semasa mencapai tahap voltan ralat. Voltan ralat ini sesuai dengan perbezaan voltan yang dikuatkan antara voltan titik setel DAC dan voltan keluaran maklum balas.

Langkah 2: Tingkatkan Prestasi Dalam Keadaan Beban Ringan

Untuk peranti mudah alih dan boleh pakai, terdapat keperluan untuk meningkatkan prestasi dalam keadaan beban ringan untuk memanjangkan hayat bateri. Sebilangan besar aplikasi mudah alih dan boleh pakai berada dalam mod siaga "tidur sementara" atau "tidur" daya rendah pada kebanyakan masa, hanya diaktifkan sebagai tindak balas terhadap input pengguna atau pengukuran berkala, sehingga meminimumkan penggunaan kuasa dalam mod siap sedia. Ini adalah keutamaan utama.

Topologi DCS-ControlTM (Direct Control to Seamless Transition to Energy Saver Mode) menggabungkan kelebihan tiga skema kawalan yang berbeza (iaitu, mod histeresis, mod voltan, dan mod semasa) untuk meningkatkan prestasi dalam keadaan beban ringan, terutamanya peralihan ke Atau ketika meninggalkan keadaan beban ringan. Topologi ini menyokong mod PWM untuk beban sederhana dan berat, serta mod penjimatan kuasa (PSM) untuk beban ringan.

Semasa operasi PWM, sistem beroperasi pada frekuensi pensuisan dinilai berdasarkan voltan masukan dan mengawal perubahan frekuensi. Sekiranya arus beban menurun, penukar beralih ke PSM untuk mengekalkan kecekapan tinggi sehingga jatuh ke beban yang sangat ringan. Pada PSM, frekuensi pensuisan menurun secara linear dengan arus beban. Kedua-dua mod dikendalikan oleh blok kawalan tunggal, jadi peralihan dari PWM ke PSM lancar dan tidak mempengaruhi voltan output.

Rajah 3 adalah gambarajah blok DCS-ControlTM. Gelung kawalan mengambil maklumat mengenai perubahan voltan output dan memberikannya kembali ke pembanding pantas. Pembanding menetapkan frekuensi beralih (sebagai pemalar untuk keadaan operasi keadaan tetap) dan memberikan tindak balas segera terhadap perubahan beban dinamik. Gelung maklum balas voltan mengatur beban DC dengan tepat. Rangkaian peraturan yang diberi pampasan dalaman membolehkan operasi cepat dan stabil dengan komponen luaran kecil dan kapasitor ESR rendah.

Gambar 3: Pelaksanaan topologi DCS-ControlTM dalam penukar buck TPS62130 (Sumber: Texas Instruments)

Penukar daya suis segerak TPS6213xA-Q1 didasarkan pada topologi DCS-ControlTM dan dioptimumkan untuk aplikasi POL berketumpatan kuasa tinggi. Frekuensi beralih 2.5MHz khas membolehkan penggunaan induktor kecil dan memberikan tindak balas sementara yang cepat dan ketepatan voltan keluaran yang tinggi. TPS6213 beroperasi dari julat voltan input dari 3V hingga 17V dan dapat memberikan arus berterusan hingga 3A antara voltan keluaran 0.9V dan 6V.