Электр менен камсыздоонун дизайнынын чакырыктары DC-DC технологиялары менен кандайча жолугушат: 3 кадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Акыркы өзгөртүү: 2024-01-30 10:40

Мен DC-DC Technologies тарабынан электр энергиясы менен камсыздоочу дизайн кандайча жооп берерин талдайм.

Электр системасынын дизайнерлери колдо болгон кубаттуулукту максималдуу пайдалануунун жолдорун табуу үчүн рыноктон дайыма кысымга туш болушат. Портативдик түзмөктөрдө жогорку эффективдүүлүк батарейканын иштөө мөөнөтүн узартат жана кичинекей пакеттерге көбүрөөк функционалды коет. Серверлерде жана базалык станцияларда эффективдүүлүктүн өсүшү инфраструктураны (муздатуу системасын) жана эксплуатациялык чыгымдарды (электр энергиясы үчүн төлөмдөрдү) түз сактай алат. Рыноктун талаптарын канааттандыруу үчүн, системанын дизайнерлери бир нече тармактарда кубаттуулукту кайра иштетүү процесстерин жакшыртып жатышат, анын ичинде эффективдүү которуу топологиялары, пакет инновациялары жана кремний карбиди (SiC) жана галлий нитридине (GaN) негизделген жаңы жарым өткөргүчтөр.

1 -кадам: которгуч которгучтун топологиясын жакшыртуу

Колдо болгон күчтү толук пайдалануу үчүн, адамдар сызыктуу технологияга эмес, коммутатордук технологияга негизделген дизайнды кабыл алууда. Коммутативдик энергия менен камсыздоо (SMPS) 90%дан ашык эффективдүү күчкө ээ. Бул портативдик системалардын батарейканын иштөө мөөнөтүн узартат, чоң жабдуулардын электр энергиясынын наркын төмөндөтөт жана мурда жылыткычтын компоненттери үчүн колдонулган мейкиндикти үнөмдөйт.

Которулган топологияга өтүүнүн белгилүү кемчиликтери бар жана анын татаал дизайны дизайнерлерден бир нече жөндөмгө ээ болууну талап кылат. Дизайн инженерлери аналогдук жана санариптик технологиялар, электромагниттик жана жабык циклдик башкаруу менен тааныш болушу керек. Басма схемалардын дизайнерлери (ПХБ) электромагниттик интерференцияга (EMI) көбүрөөк көңүл бурушу керек, анткени жогорку жыштыктагы которуштуруучу толкун формалары сезгич аналогдук жана RF схемаларында көйгөйлөрдү жаратышы мүмкүн.

Транзистор ойлоп табылганга чейин, кубаттуулукту которуштуруу режиминин негизги концепциясы сунушталган: мисалы, 1910-жылы ойлонулган Кейт тибиндеги индуктивдүү разряд системасы, ал автоматтык от алдыруу системасы үчүн учуучу арткы конверторду ишке ашыруу үчүн механикалык вибраторду колдонгон..

Көпчүлүк стандарттык топологиялар ондогон жылдар бою болуп келген, бирок бул инженерлер жаңы колдонмолорду, айрыкча контролдук циклдерди жайгаштыруу үчүн стандарттык дизайнды жөнгө салбайт дегенди билдирбейт. Стандарттык архитектура ар кандай жүктөө шарттарында чыгыш чыңалуусунун бир бөлүгүн кайтарып берүү (чыңалуу режимин башкаруу) же индукцияланган токту (учурдагы режимди башкаруу) көзөмөлдөө аркылуу туруктуу чыгуу чыңалуусун кармап туруу үчүн туруктуу жыштыкты колдонот. Дизайнерлер негизги дизайндагы кемчиликтерди жоюу үчүн дайыма өркүндөтүп жатышат.

Figure 1 негизги жабык цикл чыңалуу режими башкаруу (VMC) системасынын блок -схемасы. Күч стадиясы кубат которгучтан жана чыгаруу чыпкасынан турат. Компенсация блогуна чыгаруу чыңалуусун бөлүүчү, ката күчөткүч, шилтеме чыңалуусу жана цикл компенсациялоочу компонент кирет. Импульстун туурасы модулятору (PWM) ката сигналына пропорционалдуу болгон чыгуу импульсунун ырааттуулугун чыгаруу үчүн ката сигналын туруктуу пандустун сигналына салыштыруу үчүн компараторду колдонот.

VMC системасынын ар кандай жүктөмдөрү катуу чыгаруу эрежелерине ээ жана тышкы саат менен синхрондоштурууга оңой болгону менен, стандарттык архитектура кээ бир кемчиликтерге ээ. Loop компенсациясы башкаруу циклинин өткөрүү жөндөмдүүлүгүн азайтат жана убактылуу жоопту жайлатат; ката күчөткүч иштөө агымын жогорулатат жана натыйжалуулугун төмөндөтөт.

Үзгүлтүксүз өз убагында (COT) башкаруу схемасы циклди компенсациялоосуз жакшы өтмөктү камсыз кылат. COT көзөмөлү жөнгө салынуучу вольтту шилтеме чыңалуусуна салыштыруу үчүн компараторду колдонот: чыгаруу чыңалуусу чыңалуу чыңалуусунан азыраак болгондо, белгиленген убакта импульс пайда болот. Төмөн кызмат циклдеринде, бул которуштуруу жыштыгынын өтө жогору болушуна алып келет, андыктан адаптивдүү COT контроллери жыштыкты туруктуу абалда дээрлик туруктуу кармап турган киргизүү жана чыгаруу чыңалуусуна жараша өзгөрүп турган убакытты түзөт. Texas Instrumentдын D-CAP топологиясы адаптивдүү COT мамилесине караганда жакшыруу болуп саналат: D-CAP контроллери пикир салыштыргычтын киришине пандустун чыңалуусун кошот, бул тиркемедеги ызы чууну азайтуу менен джиттердин иштешин жакшыртат. Figure 2 COT жана D-CAP системаларын салыштыруу болуп саналат.

Figure 2: Стандарттык COT топологиясын салыштыруу (a) жана D-CAP топологиясы (b) (Булак: Texas Instruments) D-CAP топологиясынын ар кандай муктаждыктары үчүн бир нече варианттары бар. Мисалы, TPS53632 жарым көпүрө PWM контроллери D-CAP+ архитектурасын колдонот, ал негизинен жогорку ток колдонмолордо колдонулат жана кубаттуулугу 1 МГцке чейин 48Vдан 1V POL конвертерлерине чейин эффективдүүлүгү 92%га чейин жетет.

D-CAPтан айырмаланып, D-CAP+ кайтарым байланыш циклин так көзөмөлдөө үчүн индукцияланган токко пропорционалдуу компонентти кошот. Ката күчөткүчү ар кандай линия жана жүктөө шарттарында DC жүктөмүнүн тактыгын жакшыртат.

Контроллердин чыгыш чыңалуусу ички DAC тарабынан белгиленет. Бул цикл учурдагы пикир ката чыңалуу деңгээлине жеткенде башталат. Бул ката чыңалуусу DAC коюлган чекиттин чыңалуусу менен кайтарым байланыштын чыңалуусунун ортосундагы күчөтүлгөн чыңалуу айырмасына туура келет.

2 -кадам: Light Load шарттарында иштөөнү жакшыртуу

Портативдүү жана кийилүүчү түзмөктөр үчүн, батарейканын иштөө мөөнөтүн узартуу үчүн жеңил жүк шартында иштөөнү жакшыртуу керек. Көптөгөн портативдүү жана кийилүүчү колдонмолор көбүнчө аз кубаттуулуктагы "убактылуу уйку" же "уктоо" күтүү режиминде, колдонуучунун киргизүүсүнө же мезгил-мезгили менен өлчөөгө жооп катары гана активдештирилет, андыктан күтүү режиминде энергия керектөөнү азайтыңыз. Бул эң биринчи приоритет.

DCS-ControlTM (Энергияны үнөмдөөчү режимге үзгүлтүксүз өтүү үчүн түз башкаруу) топологиясы жеңил жүктөө шартында иштөөнү жакшыртуу үчүн үч башка башкаруу схемасынын артыкчылыктарын айкалыштырат (б.а. гистерезис режими, чыңалуу режими жана учурдагы режим). жеңил жүк абалынан чыгуу. Бул топология орто жана оор жүктөр үчүн PWM режимдерин, ошондой эле жеңил жүктөр үчүн энергияны үнөмдөө режимин (PSM) колдойт.

PWM иштөө учурунда система кирүү чыңалуусуна негизделген которуу жыштыгында иштейт жана жыштыктын өзгөрүшүн көзөмөлдөйт. Эгерде жүктөмдүн агымы азайса, конвертер PSMге өтө жогорку жүктөмгө түшмөйүнчө жогорку эффективдүүлүктү сактоо үчүн өтөт. PSMде, которуштуруу жыштыгы жүк агымы менен сызыктуу түрдө төмөндөйт. Эки режим тең бир башкаруу блогу тарабынан башкарылат, андыктан PWMден PSMге өтүү үзгүлтүксүз жана чыгуу чыңалуусуна таасир этпейт.

3-сүрөт DCS-ControlTMдин блок-схемасы. Башкаруу цикли чыгыш чыңалуусунун өзгөрүшү жөнүндө маалыматты алат жана аны тез салыштыруучуга кайра берет. Салыштыргыч которуу жыштыгын коет (туруктуу иштөө шарттары үчүн константа катары) жана динамикалык жүктүн өзгөрүшүнө дароо жооп берет. Чыңалуу кайтарым байланыш цикли DC жүгүн так жөнгө салат. Ички компенсацияланган жөнгө салуу тармагы кичинекей тышкы компоненттер жана ESR конденсаторлору менен тез жана туруктуу иштөөгө мүмкүндүк берет.

Figure 3: TPS62130 бак конвертеринде DCS-ControlTM топологиясын ишке ашыруу (Булак: Texas Instruments)

TPS6213xA-Q1 синхрондуу коммутатордук энергияны алмаштыргыч DCS-Control ™ топологиясына негизделген жана жогорку кубаттуулуктагы POL тиркемелери үчүн оптималдаштырылган. Типтүү 2.5MHz которуштуруу жыштыгы кичинекей индукторлорду колдонууга мүмкүндүк берет жана тез өтмө реакцияны жана жогорку чыгаруу чыңалуу тактыгын камсыздайт. TPS6213 3Vдан 17Vга чейинки чыңалуу диапазонунан иштейт жана 0.9V менен 6V чыгаруу чыңалуусунун ортосунда 3Ага чейин үзгүлтүксүз токту жеткире алат.