Как решаются проблемы проектирования источников питания с помощью технологий постоянного и постоянного тока: 3 шага

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

Я проанализирую, как DC-DC Technologies решает проблему проектирования источников питания.

Разработчики энергосистем сталкиваются с постоянным давлением рынка, стремящимся найти способы максимально использовать доступную мощность. В портативных устройствах более высокая эффективность продлевает срок службы батареи и обеспечивает большую функциональность в меньших корпусах. В серверах и базовых станциях повышение эффективности может напрямую сэкономить инфраструктуру (системы охлаждения) и эксплуатационные расходы (счета за электроэнергию). Чтобы удовлетворить потребности рынка, разработчики систем улучшают процессы преобразования энергии во многих областях, включая более эффективные топологии переключения, инновации в корпусах и новые полупроводниковые устройства на основе карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN).

Шаг 1: Улучшение топологии переключающего преобразователя

Чтобы в полной мере использовать доступную мощность, люди все чаще применяют конструкции, основанные на технологии коммутации, а не на линейной технологии. Импульсный источник питания (SMPS) имеет эффективную мощность более 90%. Это продлевает срок службы аккумуляторов портативных систем, снижает стоимость электроэнергии для крупного оборудования и экономит место, которое ранее использовалось для компонентов радиатора.

Переход на коммутируемую топологию имеет определенные недостатки, а более сложная конструкция требует от дизайнеров нескольких навыков. Инженеры-конструкторы должны быть знакомы с аналоговыми и цифровыми технологиями, электромагнетизмом и регулированием с обратной связью. Разработчики печатных плат (PCB) должны уделять больше внимания электромагнитным помехам (EMI), поскольку высокочастотные сигналы переключения могут вызывать проблемы в чувствительных аналоговых и радиочастотных схемах.

До изобретения транзистора была предложена основная концепция импульсного преобразования мощности: например, система индукционного разряда типа Кейт, изобретенная в 1910 году, в которой использовался механический вибратор для реализации повышающего преобразователя обратного хода для автомобильной системы зажигания..

Большинство стандартных топологий существует уже несколько десятилетий, но это не значит, что инженеры не корректируют стандартные конструкции для соответствия новым приложениям, особенно контурам управления. Стандартная архитектура использует фиксированную частоту для поддержания постоянного выходного напряжения путем обратной подачи части выходного напряжения (управление в режиме напряжения) или управления индуцированным током (управление в режиме тока) при различных условиях нагрузки. Дизайнеры постоянно совершенствуются, чтобы преодолеть недостатки базовой конструкции.

На рисунке 1 представлена блок-схема базовой системы управления режимом напряжения с обратной связью (VMC). Силовой каскад состоит из переключателя мощности и выходного фильтра. Блок компенсации включает в себя делитель выходного напряжения, усилитель ошибки, опорное напряжение и компонент компенсации контура. Широтно-импульсный модулятор (ШИМ) использует компаратор для сравнения сигнала ошибки с фиксированным линейно-нарастающим сигналом для создания выходной импульсной последовательности, пропорциональной сигналу ошибки.

Хотя различные нагрузки системы VMC имеют строгие правила вывода и легко синхронизируются с внешними часами, стандартная архитектура имеет некоторые недостатки. Компенсация контура уменьшает полосу пропускания контура управления и замедляет переходную характеристику; усилитель ошибки увеличивает рабочий ток и снижает КПД.

Схема управления с постоянным включением по времени (COT) обеспечивает хорошие переходные характеристики без компенсации петли. Управление COT использует компаратор для сравнения регулируемого выходного напряжения с опорным напряжением: когда выходное напряжение меньше опорного напряжения, генерируется фиксированный импульс времени. При низких рабочих циклах это приводит к очень высокой частоте переключения, поэтому адаптивный контроллер COT генерирует время включения, которое изменяется в зависимости от входного и выходного напряжений, что позволяет поддерживать частоту почти постоянной в установившемся состоянии. Топология D-CAP от Texas Instrument является усовершенствованием по сравнению с адаптивным подходом COT: контроллер D-CAP добавляет линейное напряжение на вход компаратора обратной связи, что улучшает характеристики джиттера за счет уменьшения полосы шума в приложении. На рисунке 2 представлено сравнение систем COT и D-CAP.

Рисунок 2: Сравнение стандартной топологии COT (a) и топологии D-CAP (b) (Источник: Texas Instruments) Существует несколько различных вариантов топологии D-CAP для различных нужд. Например, полумостовой ШИМ-контроллер TPS53632 использует архитектуру D-CAP +, которая в основном используется в сильноточных приложениях и может управлять уровнями мощности до 1 МГц в преобразователях POL 48 В в 1 В с КПД до 92%.

В отличие от D-CAP, контур обратной связи D-CAP + добавляет компонент, пропорциональный индуцированному току, для точного контроля спада. Усилитель повышенной погрешности повышает точность нагрузки постоянного тока при различных условиях линии и нагрузки.

Выходное напряжение контроллера устанавливается внутренним ЦАП. Этот цикл начинается, когда обратная связь по току достигает уровня напряжения ошибки. Это напряжение ошибки соответствует усиленной разнице напряжений между напряжением уставки DAC и выходным напряжением обратной связи.

Шаг 2: улучшите производительность в условиях небольшой нагрузки

Для портативных и носимых устройств необходимо повысить производительность в условиях небольшой нагрузки, чтобы продлить срок службы батареи. Многие портативные и носимые приложения большую часть времени находятся в энергосберегающем «временном спящем» или «спящем» режиме ожидания и активируются только в ответ на ввод данных пользователем или периодические измерения, поэтому минимизируйте потребление энергии в режиме ожидания. Это главный приоритет.

Топология DCS-ControlTM (прямое управление для плавного перехода в режим энергосбережения) сочетает в себе преимущества трех различных схем управления (т. Е. Режима гистерезиса, режима напряжения и режима тока) для повышения производительности в условиях небольшой нагрузки, особенно при переходе в режим Или, когда выход из состояния легкой нагрузки. Эта топология поддерживает режимы ШИМ для средних и тяжелых нагрузок, а также режим энергосбережения (PSM) для легких нагрузок.

Во время работы ШИМ система работает с номинальной частотой коммутации в зависимости от входного напряжения и управляет изменением частоты. Если ток нагрузки уменьшается, преобразователь переключается на PSM, чтобы поддерживать высокий КПД, пока он не упадет до очень легкой нагрузки. В PSM частота коммутации линейно уменьшается с током нагрузки. Оба режима управляются одним блоком управления, поэтому переход от ШИМ к PSM происходит плавно и не влияет на выходное напряжение.

На рисунке 3 представлена блок-схема DCS-ControlTM. Контур управления принимает информацию об изменении выходного напряжения и передает ее обратно в быстрый компаратор. Компаратор устанавливает частоту коммутации (как постоянную для установившихся рабочих условий) и обеспечивает немедленную реакцию на динамические изменения нагрузки. Контур обратной связи по напряжению точно регулирует нагрузку постоянного тока. Регулирующая сеть с внутренней компенсацией обеспечивает быструю и стабильную работу с небольшими внешними компонентами и конденсаторами с низким ESR.

Рисунок 3: Реализация топологии DCS-ControlTM в понижающем преобразователе TPS62130 (Источник: Texas Instruments)

Синхронный импульсный преобразователь мощности TPS6213xA-Q1 основан на топологии DCS-ControlTM и оптимизирован для приложений POL с высокой плотностью мощности. Типичная частота коммутации 2,5 МГц позволяет использовать небольшие катушки индуктивности и обеспечивает быструю переходную характеристику и высокую точность выходного напряжения. TPS6213 работает в диапазоне входного напряжения от 3 В до 17 В и может обеспечивать до 3 А постоянного тока при выходном напряжении от 0,9 В до 6 В.