Cum se întâlnesc provocările proiectării surselor de alimentare de către tehnologiile DC-DC: 3 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:44

Voi analiza cum se întâlnește provocarea proiectării sursei de alimentare de către DC-DC Technologies.

Proiectanții de sisteme de alimentare se confruntă cu o presiune constantă din partea pieței pentru a găsi modalități de a profita la maximum de puterea disponibilă. La dispozitivele portabile, o eficiență mai mare extinde durata de viață a bateriei și pune mai multe funcționalități în pachetele mai mici. În servere și stații de bază, creșterea eficienței poate economisi direct infrastructura (sistemele de răcire) și costurile de operare (facturile de energie electrică). Pentru a satisface cerințele pieței, proiectanții de sistem îmbunătățesc procesele de conversie a puterii în mai multe domenii, inclusiv topologii de comutare mai eficiente, inovații de pachete și noi dispozitive semiconductoare bazate pe carbură de siliciu (SiC) și nitrură de galiu (GaN).

Pasul 1: Îmbunătățirea topologiei convertorului de comutare

Pentru a profita din plin de puterea disponibilă, oamenii adoptă din ce în ce mai multe modele bazate pe tehnologia de comutare mai degrabă decât pe tehnologia liniară. Alimentarea cu comutare (SMPS) are o putere efectivă de peste 90%. Aceasta extinde durata de viață a bateriei sistemelor portabile, reduce costul energiei electrice pentru echipamente mari și economisește spațiu folosit anterior pentru componentele radiatorului.

Trecerea la o topologie comutată are anumite dezavantaje, iar designul său mai complex impune proiectanților să aibă mai multe abilități. Inginerii de proiectare trebuie să fie familiarizați cu tehnologiile analogice și digitale, electromagnetica și controlul cu buclă închisă. Proiectanții de plăci de circuite imprimate (PCB) trebuie să acorde mai multă atenție interferențelor electromagnetice (EMI), deoarece formele de undă de comutare de înaltă frecvență pot provoca probleme în circuitele analogice și RF sensibile.

Înainte de invenția tranzistorului, a fost propus conceptul de bază al conversiei puterii în modul comutat: de exemplu, sistemul de descărcare inductivă de tip Kate inventat în 1910, care folosea un vibrator mecanic pentru a implementa un convertor flyback boost pentru un sistem de aprindere auto.

Majoritatea topologiilor standard există de zeci de ani, dar asta nu înseamnă că inginerii nu ajustează design-urile standard pentru a se potrivi noilor aplicații, în special a buclelor de control. Arhitectura standard utilizează o frecvență fixă pentru a menține o tensiune de ieșire constantă alimentând o parte din tensiunea de ieșire (controlul modului de tensiune) sau controlând curentul indus (controlul modului curent) în diferite condiții de încărcare. Designerii se îmbunătățesc constant pentru a depăși defectele designului de bază.

Figura 1 este o diagramă bloc a unui sistem de control al modului de tensiune în buclă închisă de bază (VMC). Etapa de alimentare constă dintr-un întrerupător de alimentare și un filtru de ieșire. Blocul de compensare include un divizor de tensiune de ieșire, un amplificator de eroare, o tensiune de referință și o componentă de compensare a buclei. Un modulator de lățime a impulsului (PWM) folosește un comparator pentru a compara semnalul de eroare cu un semnal fix de rampă pentru a produce o secvență de impuls de ieșire care este proporțională cu semnalul de eroare.

Deși diferitele sarcini ale sistemului VMC au reguli de ieșire stricte și sunt ușor de sincronizat cu ceasul extern, arhitectura standard are unele dezavantaje. Compensarea buclei reduce lățimea de bandă a buclei de control și încetinește răspunsul tranzitoriu; amplificatorul de eroare crește curentul de funcționare și reduce eficiența.

Schema de control constant la timp (COT) oferă performanțe tranzitorii bune fără compensare de buclă. Controlul COT utilizează un comparator pentru a compara tensiunea de ieșire reglată cu tensiunea de referință: atunci când tensiunea de ieșire este mai mică decât tensiunea de referință, se generează un impuls fix la timp. La cicluri de funcționare reduse, acest lucru face ca frecvența de comutare să fie foarte mare, astfel încât regulatorul COT adaptiv generează un timp de pornire care variază în funcție de tensiunile de intrare și ieșire, care menține frecvența aproape constantă la starea de echilibru. Topologia D-CAP din Texas Instrument este o îmbunătățire față de abordarea COT adaptivă: controlerul D-CAP adaugă o tensiune de rampă la intrarea comparatorului de feedback, ceea ce îmbunătățește performanța jitterului prin reducerea benzii de zgomot din aplicație. Figura 2 este o comparație a sistemelor COT și D-CAP.

Figura 2: Compararea topologiei standard COT (a) și topologiei D-CAP (b) (Sursa: Texas Instruments) Există mai multe variante diferite ale topologiei D-CAP pentru diferite nevoi. De exemplu, controlerul PWM cu jumătate de punte TPS53632 folosește arhitectura D-CAP +, care este utilizată în principal în aplicații cu curent ridicat și poate conduce niveluri de putere de până la 1MHz în convertoarele POL de 48V la 1V cu randamente de până la 92%.

Spre deosebire de D-CAP, bucla de feedback D-CAP + adaugă o componentă proporțională cu curentul indus pentru un control precis al înclinării. Amplificatorul de eroare crescut îmbunătățește precizia sarcinii DC într-o varietate de condiții de linie și sarcină.

Tensiunea de ieșire a controlerului este setată de DAC intern. Acest ciclu începe când feedback-ul curent atinge nivelul de tensiune de eroare. Această tensiune de eroare corespunde diferenței de tensiune amplificată între tensiunea punctului de setare DAC și tensiunea de ieșire de feedback.

Pasul 2: Îmbunătățiți performanța în condiții de încărcare ușoară

Pentru dispozitivele portabile și purtabile, este necesar să se îmbunătățească performanța în condiții de încărcare ușoară pentru a prelungi durata de viață a bateriei. Multe aplicații portabile și purtabile se află în modul de așteptare „temporar” sau „de așteptare” de consum redus de cele mai multe ori, activate doar ca răspuns la intrarea utilizatorului sau la măsurători periodice, deci minimizați consumul de energie în modul de așteptare. Este prioritatea maximă.

Topologia DCS-Control ™ (Control direct la tranziția fără sudură la modul de economisire a energiei) combină avantajele a trei scheme de control diferite (de exemplu, modul istereză, modul tensiune și modul curent) pentru a îmbunătăți performanța în condiții de încărcare ușoară, în special tranziția la Sau când lăsând starea de încărcare ușoară. Această topologie acceptă modurile PWM pentru sarcini medii și grele, precum și modul de economisire a energiei (PSM) pentru sarcini ușoare.

În timpul funcționării PWM, sistemul funcționează la frecvența nominală de comutare pe baza tensiunii de intrare și controlează schimbarea frecvenței. Dacă curentul de sarcină scade, convertorul trece la PSM pentru a menține o eficiență ridicată până când scade la o sarcină foarte ușoară. La PSM, frecvența de comutare scade liniar cu curentul de sarcină. Ambele moduri sunt controlate de un singur bloc de control, astfel încât tranziția de la PWM la PSM este fără probleme și nu afectează tensiunea de ieșire.

Figura 3 este o diagramă bloc a DCS-Control ™. Bucla de control preia informații despre modificarea tensiunii de ieșire și o alimentează direct înapoi la comparatorul rapid. Comparatorul setează frecvența de comutare (ca o constantă pentru condiții de funcționare în regim stabil) și oferă un răspuns imediat la schimbările dinamice ale sarcinii. Bucla de feedback de tensiune reglează cu precizie sarcina DC. Rețeaua de reglare compensată intern permite o operare rapidă și stabilă cu componente externe mici și condensatoare ESR reduse.

Figura 3: Implementarea topologiei DCS-Control ™ în convertorul buck TPS62130 (Sursa: Texas Instruments)

Convertorul de putere de comutare sincronă TPS6213xA-Q1 se bazează pe topologia DCS-Control ™ și este optimizat pentru aplicații POL cu densitate mare de putere. Frecvența tipică de comutare de 2,5 MHz permite utilizarea unor inductoare mici și oferă un răspuns tranzitoriu rapid și o precizie ridicată a tensiunii de ieșire. TPS6213 funcționează dintr-un interval de tensiune de intrare de la 3V la 17V și poate furniza până la 3A de curent continuu între 0,9V și 6V tensiuni de ieșire.