Ինչպե՞ս են էլեկտրամատակարարման նախագծման մարտահրավերները հանդիպում DC-DC տեխնոլոգիաների միջոցով. 3 քայլ

2024 Հեղինակ: John Day | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2024-01-30 09:48

Ես կվերլուծեմ, թե ինչպես է էներգիայի մատակարարման մարտահրավերը համապատասխանում DC-DC Technologies- ին:

Էլեկտրաէներգետիկական համակարգի դիզայներները շուկայից մշտական ճնշման են ենթարկվում `գտնելու առկա էներգիան առավելագույնս օգտագործելու ուղիներ: Դյուրակիր սարքերում ավելի բարձր արդյունավետությունը երկարացնում է մարտկոցի ժամկետը և ավելի մեծ ֆունկցիոնալություն դնում փոքր փաթեթների մեջ: Սերվերներում և բազային կայաններում արդյունավետության բարձրացումը կարող է ուղղակիորեն խնայել ենթակառուցվածքները (հովացման համակարգեր) և գործառնական ծախսերը (էլեկտրաէներգիայի հաշիվներ): Շուկայական պահանջները բավարարելու համար համակարգի դիզայներները բարելավում են էներգիայի փոխակերպման գործընթացները բազմաթիվ ոլորտներում, ներառյալ ավելի արդյունավետ միացման տոպոլոգիաները, փաթեթային նորամուծությունները և նոր կիսահաղորդչային սարքերը `հիմնված սիլիկոնային կարբիդի (SiC) և գալիումի նիտրիդի (GaN) վրա:

Քայլ 1. Փոխարկիչ փոխարկիչի տոպոլոգիայի բարելավում

Առկա էներգիայից լիարժեք օգտվելու համար մարդիկ ավելի ու ավելի են ընդունում նախագծեր ՝ հիմնված ոչ թե գծային, այլ միացման տեխնոլոգիայի վրա: Անջատիչ սնուցման աղբյուրը (SMPS) ունի արդյունավետության ավելի քան 90%: Սա երկարացնում է դյուրակիր համակարգերի մարտկոցի ժամկետը, նվազեցնում է էլեկտրաէներգիայի արժեքը մեծ սարքավորումների համար և խնայում տարածք, որն ավելի վաղ օգտագործվում էր ջերմատաքացուցիչի բաղադրիչների համար:

Անցումային տոպոլոգիայի անցնելն ունի որոշակի թերություններ, և դրա ավելի բարդ դիզայնը պահանջում է, որ դիզայներները ունենան բազմաթիվ հմտություններ: Դիզայներական ինժեներները պետք է ծանոթ լինեն անալոգային և թվային տեխնոլոգիաներին, էլեկտրամագնիսական համակարգին և փակ օղակի կառավարմանը: Տպագիր տպատախտակների (PCB) դիզայներները պետք է ավելի մեծ ուշադրություն դարձնեն էլեկտրամագնիսական միջամտությանը (EMI), քանի որ բարձր հաճախականության միացման ալիքների ձևերը կարող են խնդիրներ առաջացնել զգայուն անալոգային և ՌԴ սխեմաներում:

Մինչև տրանզիստորի գյուտը, առաջարկվում էր անջատված ռեժիմի էներգիայի փոխակերպման հիմնական հասկացությունը. Օրինակ ՝ 1910-ին հորինված Քեյթի տիպի ինդուկտիվ լիցքաթափման համակարգը, որն օգտագործում էր մեխանիկական թրթռիչ ՝ ավտոմոբիլային բռնկման համակարգի համար թռիչքի խթանման փոխարկիչ իրականացնելու համար:.

Ստանդարտ տոպոլոգիաների մեծ մասը գոյություն ունի տասնամյակներ շարունակ, բայց դա չի նշանակում, որ ինժեներները չեն հարմարեցնում ստանդարտ դիզայնը `նոր ծրագրեր տեղավորելու համար, հատկապես կառավարման օղակները: Ստանդարտ ճարտարապետությունը օգտագործում է ֆիքսված հաճախականություն `մշտական ելքային լարման պահպանման համար` սնուցելով ելքային լարման մի մասը (լարման ռեժիմի կառավարում) կամ վերահսկելով ինդուկցիոն հոսանքը (ընթացիկ ռեժիմի կառավարում) բեռի տարբեր պայմաններում: Դիզայներները մշտապես կատարելագործվում են `հիմնական դիզայնի թերությունները հաղթահարելու համար:

Նկար 1 -ը հիմնական փակ հանգույցի լարման ռեժիմի կառավարման (VMC) համակարգի բլոկ -դիագրամ է: Հզորության փուլը բաղկացած է հոսանքի անջատիչից և ելքային զտիչից: Փոխհատուցման բլոկը ներառում է ելքային լարման բաժանարար, սխալի ուժեղացուցիչ, տեղեկատու լարման և օղակի փոխհատուցման բաղադրիչ: Իմպուլսի լայնության մոդուլյատորը (PWM) օգտագործում է համեմատիչ ՝ սխալի ազդանշանը համեմատելու համար թեքահարթակի ամրացված ազդանշանի հետ ՝ ելքային զարկերակի հաջորդականություն արտադրելու համար, որը համաչափ է սխալի ազդանշանին:

Թեև VMC համակարգի տարբեր բեռներ ունեն ելքի խիստ կանոններ և հեշտ է համաժամեցնել արտաքին ժամացույցի հետ, ստանդարտ ճարտարապետությունն ունի որոշ թերություններ: Օղակի փոխհատուցումը նվազեցնում է կառավարման հանգույցի թողունակությունը և դանդաղեցնում անցողիկ արձագանքը. սխալի ուժեղացուցիչը մեծացնում է աշխատանքային հոսանքը և նվազեցնում արդյունավետությունը:

Constantամանակին մշտական (COT) վերահսկման սխեման ապահովում է լավ անցողիկ կատարում առանց օղակի փոխհատուցման: COT հսկիչն օգտագործում է համեմատիչ `կարգավորվող ելքային լարումը համեմատական լարման հետ համեմատելու համար. Dutyածր աշխատանքային ցիկլերի դեպքում դա հանգեցնում է միացման հաճախականության շատ բարձր լինելուն, ուստի հարմարվողական COT կարգավորիչը ստեղծում է ժամանակին, որը տատանվում է մուտքի և ելքի լարման հետ, ինչը հաճախականությունը կայուն կայուն է պահում: Texas Instrument- ի D-CAP տոպոլոգիան բարելավում է հարմարվողական COT մոտեցման նկատմամբ. Նկար 2-ը COT և D-CAP համակարգերի համեմատություն է:

Նկար 2. Ստանդարտ COT տոպոլոգիայի (ա) և D-CAP տոպոլոգիայի (բ) համեմատություն (Աղբյուրը ՝ Texas Instruments) D-CAP տոպոլոգիայի մի քանի տարբեր տարբերակներ կան տարբեր կարիքների համար: Օրինակ, TPS53632 կիսակամուրջ PWM վերահսկիչն օգտագործում է D-CAP+ ճարտարապետությունը, որն առաջին հերթին օգտագործվում է բարձր ընթացիկ ծրագրերում և կարող է հզորության մակարդակ բարձրացնել մինչև 1 ՄՀց 48V- ից մինչև 1V POL փոխարկիչներում ՝ արդյունավետությունը մինչև 92%:

Ի տարբերություն D-CAP- ի, D-CAP+ հետադարձ հանգույցը ավելացնում է բաղադրիչ, որը համաչափ է ինդուկցիոն հոսանքին `անկման ճշգրիտ վերահսկման համար: Սխալների ավելացման ուժեղացուցիչը բարելավում է DC բեռի ճշգրտությունը տարբեր գծերի և բեռների պայմաններում:

Հսկիչի ելքային լարումը սահմանվում է ներքին DAC- ով: Այս ցիկլը սկսվում է, երբ ընթացիկ հետադարձ կապը հասնում է սխալի լարման մակարդակին: Այս սխալի լարումը համապատասխանում է DAC- ի սահմանային կետի լարման և հետադարձ ելքային լարման միջև ուժեղացված լարման տարբերությանը:

Քայլ 2. Բարելավել կատարողականությունը թեթև բեռի պայմաններում

Դյուրակիր և կրելի սարքերի համար անհրաժեշտ է բարելավել աշխատանքը թեթև բեռի պայմաններում `մարտկոցի կյանքը երկարացնելու համար: Շատ դյուրակիր և կրելի ծրագրեր շատ ժամանակ գտնվում են ցածր էներգիայի «ժամանակավոր քնի» կամ «քնի» սպասման ռեժիմում, ակտիվացված են միայն օգտվողի մուտքի կամ պարբերական չափումների արդյունքում, ուստի նվազեցրեք էներգիայի սպառումը սպասման ռեժիմում: Դա գերակա առաջնահերթություն է:

DCS-Control M (Ուղղակի վերահսկողություն էներգիայի խնայողության ռեժիմին անխափան անցնելու) տոպոլոգիան համատեղում է երեք տարբեր կառավարման սխեմաների առավելությունները (այսինքն ՝ հիստերեզի ռեժիմ, լարման ռեժիմ և ընթացիկ ռեժիմ) ՝ թեթև բեռնվածության պայմաններում կատարողականությունը բարելավելու համար, հատկապես անցումը Կամ թողնելով թեթև բեռի վիճակը: Այս տոպոլոգիան աջակցում է միջին և ծանր բեռների PWM ռեժիմներին, ինչպես նաև թեթև բեռների դեպքում էներգախնայողության ռեժիմին (PSM):

PWM- ի աշխատանքի ընթացքում համակարգը գործում է իր անվանական անջատման հաճախականությամբ `ելնելով մուտքային լարման վրա և վերահսկում է հաճախականության փոփոխությունը: Եթե բեռնվածքի հոսանքը նվազում է, փոխարկիչը անցնում է PSM- ին `բարձր արդյունավետությունը պահպանելու համար, մինչև այն ընկնի շատ թեթև բեռի: PSM- ում, անջատման հաճախականությունը գծային կերպով նվազում է բեռի հոսանքի հետ: Երկու ռեժիմներն էլ վերահսկվում են մեկ հսկիչ բլոկով, ուստի PWM- ից PSM- ին անցումն անխափան է և չի ազդում ելքային լարման վրա:

Նկար 3-ը DCS-ControlTM- ի բլոկ-դիագրամ է: Կառավարման օղակը տեղեկատվություն է վերցնում ելքային լարման փոփոխության մասին և այն անմիջապես հետ է տալիս արագ համեմատիչին: Համեմատիչը սահմանում է միացման հաճախականությունը (որպես կայուն աշխատանքային պայմանների կայուն) և ապահովում է անհապաղ արձագանք բեռի դինամիկ փոփոխություններին: Լարման հետադարձ հանգույցը ճշգրիտ կարգավորում է DC բեռը: Ներքին փոխհատուցվող կարգավորիչ ցանցը հնարավորություն է տալիս արագ և կայուն աշխատել փոքր արտաքին բաղադրիչներով և ցածր ESR կոնդենսատորներով:

Գծապատկեր 3. DCS-ControlTM տոպոլոգիայի ներդրում TPS62130 buck փոխարկիչում (Աղբյուրը ՝ Texas Instruments)

TPS6213xA-Q1 սինխրոն անջատիչ հզորության փոխարկիչը հիմնված է DCS-ControlTM տոպոլոգիայի վրա և օպտիմիզացված է բարձր հզորության խտության POL ծրագրերի համար: Տիպիկ 2.5 ՄՀց անջատման հաճախականությունը թույլ է տալիս օգտագործել փոքր ինդուկտորներ և ապահովում է արագ անցողիկ արձագանք և ելքային լարման բարձր ճշգրտություն: TPS6213- ը գործում է 3V- ից 17V- ի մուտքային լարման տիրույթից և կարող է ապահովել մինչև 3A շարունակական հոսանք 0.9V- ից մինչև 6V ելքային լարման միջև: