Hoe ontmoet uitdagings van kragvoorsieningsontwerp deur DC-DC Technologies: 3 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:26

Ek sal ontleed hoe die uitdaging van die kragvoorsieningsontwerp deur DC-DC Technologies voldoen.

Kragstelselontwerpers ondergaan voortdurende druk van die mark om maniere te vind om die beste uit die beskikbare krag te put. In draagbare toestelle verleng hoër doeltreffendheid die batterylewe en plaas meer funksionaliteit in kleiner pakkette. In bedieners en basisstasies kan doeltreffendheidswinste infrastruktuur (verkoelingstelsels) en bedryfskoste (elektrisiteitsrekeninge) direk bespaar. Om aan die markvereistes te voldoen, verbeter stelselontwerpers kragomskakelingsprosesse op verskeie gebiede, insluitend meer doeltreffende skakel -topologieë, pakketinnovasies en nuwe halfgeleier -toestelle wat gebaseer is op silisiumkarbied (SiC) en galliumnitried (GaN).

Stap 1: Verbetering van skakelwisselaar -topologie

Om die beskikbare krag ten volle te benut, neem mense al hoe meer ontwerpe aan wat gebaseer is op skakeltegnologie eerder as lineêre tegnologie. Die skakelkragbron (SMPS) het 'n effektiewe krag van meer as 90%. Dit verleng die batteryleeftyd van draagbare stelsels, verminder die koste van elektrisiteit vir groot toerusting en bespaar ruimte wat voorheen gebruik is vir koellichaamskomponente.

Om oor te skakel na 'n geskakelde topologie het sekere nadele, en die meer komplekse ontwerp vereis dat ontwerpers oor verskeie vaardighede beskik. Ontwerpingenieurs moet vertroud wees met analoog en digitale tegnologie, elektromagnetika en geslote lusbeheer. Ontwerpers van gedrukte stroombane (PCB's) moet meer aandag skenk aan elektromagnetiese interferensie (EMI) omdat hoëfrekwensie -skakelvorme probleme in sensitiewe analoog- en RF -stroombane kan veroorsaak.

Voor die uitvinding van die transistor is die basiese konsep van kragomskakeling in skakelmodus voorgestel: byvoorbeeld die induktiewe ontladingstelsel van die Kate-tipe wat in 1910 uitgevind is, wat 'n meganiese vibrator gebruik het om 'n terugslagversterker vir 'n motorontstekingstelsel te implementeer.

Die meeste standaard topologieë bestaan al dekades lank, maar dit beteken nie dat ingenieurs nie standaardontwerpe aanpas om nuwe toepassings aan te pas nie, veral beheerlusse. Die standaardargitektuur gebruik 'n vaste frekwensie om 'n konstante uitgangsspanning te handhaaf deur 'n deel van die uitgangsspanning (spanningmodusbeheer) terug te voer of die geïnduseerde stroom (stroommodusbeheer) onder verskillende lasomstandighede te beheer. Ontwerpers verbeter voortdurend om die gebreke van die basiese ontwerp te oorkom.

Figuur 1 is 'n blokdiagram van 'n basiese geslote lus spanning modus beheer (VMC) stelsel. Die kragstasie bestaan uit 'n kragskakelaar en 'n uitsetfilter. Die vergoedingsblok bevat 'n uitsetspanningsverdeler, 'n foutversterker, 'n verwysingspanning en 'n lusvergoedingskomponent. 'N Pulswydte -modulator (PWM) gebruik 'n vergelyker om die foutsein te vergelyk met 'n vaste hellingsein om 'n uitsetpulsreeks te produseer wat eweredig is aan die foutsein.

Alhoewel die verskillende ladings van die VMC -stelsel streng uitvoerreëls het en maklik is om met die eksterne klok te sinchroniseer, het die standaardargitektuur 'n paar nadele. Lusvergoeding verminder die bandwydte van die kontrolelus en vertraag die oorgangsrespons; die foutversterker verhoog die werkstroom en verminder die doeltreffendheid.

Die konstante betyds (COT) beheerskema bied goeie verbygaande prestasie sonder lusvergoeding. Die COT-kontrole gebruik 'n vergelyker om die gereguleerde uitgangsspanning met die verwysingspanning te vergelyk: as die uitgangsspanning kleiner is as die verwysingspanning, word 'n vaste on-time puls gegenereer. By lae werksiklusse veroorsaak dit dat die skakelfrekwensie baie hoog is, sodat die aanpasbare COT-kontroleerder 'n betyds genereer wat wissel met die inset- en uitgangsspannings, wat die frekwensie byna konstant hou in bestendige toestand. Die D-CAP-topologie van Texas Instrument is 'n verbetering in vergelyking met die aanpasbare COT-benadering: die D-CAP-kontroleerder voeg 'n hellingspanning by die terugvoervergelykerinvoer, wat die jitterprestasie verbeter deur die geraasband in die toepassing te verminder. Figuur 2 is 'n vergelyking van die COT- en D-CAP-stelsels.

Figuur 2: Vergelyking van standaard COT-topologie (a) en D-CAP-topologie (b) (Bron: Texas Instruments) Daar is verskillende variante van die D-CAP-topologie vir verskillende behoeftes. Die TPS53632 halfbrug PWM-kontroleerder gebruik byvoorbeeld die D-CAP+ -argitektuur, wat hoofsaaklik in hoëstroomtoepassings gebruik word en kragvlakke tot 1MHz kan dryf in 48V tot 1V POL-omsetters met 'n doeltreffendheid van tot 92%.

Anders as D-CAP, voeg die D-CAP+ terugvoerlus 'n komponent by wat eweredig is aan die geïnduseerde stroom vir presiese hangbeheer. Die verhoogde foutversterker verbeter die akkuraatheid van die GS -las onder verskillende lyn- en lasomstandighede.

Die uitgangsspanning van die beheerder word bepaal deur die interne DAC. Hierdie siklus begin wanneer die huidige terugvoer die foutspanningsvlak bereik. Hierdie foutspanning stem ooreen met die versterkte spanningsverskil tussen die DAC -setpuntspanning en die terugvoeruitgangsspanning.

Stap 2: Verbeter prestasie onder ligte laai -omstandighede

Vir draagbare en draagbare toestelle is dit nodig om die prestasie onder ligte laai -omstandighede te verbeter om die batterylewe te verleng. Baie draagbare en draagbare toepassings is meestal in 'n lae tydelike "slaap" of "slaap" standby-modus, slegs geaktiveer in reaksie op gebruikersinvoer of periodieke metings, so verminder die energieverbruik in die standby-modus. Dit is die hoogste prioriteit.

Die DCS-ControlTM (Direkte beheer na naatlose oorgang na energiebesparingsmodus) topologie kombineer die voordele van drie verskillende beheerskemas (dws histeresemodus, spanningsmodus en stroommodus) om die prestasie te verbeter onder ligte lasomstandighede, veral oorgang na of wanneer die ligte laaitoestand verlaat. Hierdie topologie ondersteun PWM -modusse vir medium en swaar vragte, sowel as kragbesparingsmodus (PSM) vir ligte vragte.

Tydens PWM -werking werk die stelsel op sy nominale skakelfrekwensie gebaseer op die ingangsspanning en beheer die frekwensieverandering. As die laadstroom afneem, skakel die omskakelaar oor na die PSM om 'n hoë doeltreffendheid te behou totdat dit tot 'n baie ligte las daal. By PSM neem die skakelfrekwensie lineêr af met lasstroom. Beide modusse word deur 'n enkele bedieningsblok beheer, so die oorgang van PWM na PSM is naatloos en beïnvloed nie die uitsetspanning nie.

Figuur 3 is 'n blokdiagram van die DCS-ControlTM. Die kontrolelus neem inligting oor die verandering in die uitgangsspanning en voer dit direk terug na die vinnige vergelyker. Die vergelyker stel die skakelfrekwensie in (as 'n konstante vir bestendige toestande) en gee onmiddellike reaksie op dinamiese lasveranderings. Die spanningsterugvoerlus reguleer die GS -las akkuraat. Die intern vergoedde reguleringsnetwerk maak vinnige en stabiele werking moontlik met klein eksterne komponente en lae ESR -kapasitors.

Figuur 3: Implementering van die DCS-ControlTM topologie in die TPS62130 bokomskakelaar (Bron: Texas Instruments)

Die TPS6213xA-Q1 sinchrone skakelkragomskakelaar is gebaseer op die DCS-ControlTM-topologie en is geoptimaliseer vir POL-toepassings met 'n hoë kragdigtheid. Die tipiese 2.5MHz -skakelfrekwensie laat die gebruik van klein induktors toe en bied 'n vinnige verbygaande reaksie en 'n hoë akkuraatheid van die uitgangsspanning. Die TPS6213 werk vanaf 'n ingangsspanning van 3V tot 17V en kan tot 3A aaneenlopende stroom lewer tussen 0,9V en 6V uitgangsspannings.