Ako sa stretáva výzva s návrhom zdroja napájania od DC-DC Technologies: 3 kroky

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:58

Budem analyzovať, ako sa spĺňa náročný návrh napájacieho zdroja spoločnosťou DC-DC Technologies.

Konštruktéri energetických systémov čelia neustálemu tlaku trhu, aby našli spôsoby, ako čo najlepšie využiť dostupný výkon. V prenosných zariadeniach vyššia účinnosť predlžuje životnosť batérie a prináša väčšiu funkčnosť do menších balení. Na serveroch a základňových staniciach môže zvýšenie účinnosti priamo ušetriť infraštruktúru (chladiace systémy) a prevádzkové náklady (účty za elektrinu). Aby splnili požiadavky trhu, návrhári systémov zlepšujú procesy premeny energie vo viacerých oblastiach vrátane efektívnejšej topológie prepínania, inovácií balíkov a nových polovodičových zariadení na báze karbidu kremíka (SiC) a nitridu gália (GaN).

Krok 1: Vylepšenie topológie prevodníka prepínania

Aby ľudia naplno využili dostupný výkon, stále častejšie prijímajú návrhy založené na technológii spínania a nie na lineárnej technológii. Spínací zdroj (SMPS) má účinný výkon viac ako 90%. To predlžuje životnosť batérie prenosných systémov, znižuje náklady na elektrickú energiu pre veľké zariadenia a šetrí miesto, ktoré sa predtým používalo pre komponenty chladičov.

Prechod na prepnutú topológiu má určité nevýhody a jeho komplexnejší dizajn vyžaduje, aby dizajnéri ovládali viacero schopností. Konštruktéri musia byť oboznámení s analógovými a digitálnymi technológiami, elektromagnetikou a riadením v uzavretej slučke. Návrhári dosiek plošných spojov (PCB) musia venovať väčšiu pozornosť elektromagnetickému rušeniu (EMI), pretože vysokofrekvenčné spínacie vlny môžu spôsobovať problémy v citlivých analógových a RF obvodoch.

Pred vynálezom tranzistora bol navrhnutý základný koncept premeny energie v spínanom režime: napríklad systém indukčného vybíjania typu Kate vynájdený v roku 1910, ktorý pomocou mechanického vibrátora implementoval zosilňovač flyback boost pre automobilový zapaľovací systém.

Väčšina štandardných topológií existuje už desaťročia, ale to neznamená, že inžinieri neupravujú štandardné návrhy tak, aby vyhovovali novým aplikáciám, najmä riadiacim slučkám. Štandardná architektúra používa pevnú frekvenciu na udržanie konštantného výstupného napätia spätným napájaním časti výstupného napätia (riadenie režimu napätia) alebo riadením indukovaného prúdu (ovládanie režimu prúdu) pri rôznych podmienkach zaťaženia. Dizajnéri sa neustále zlepšujú, aby prekonali nedostatky základného dizajnu.

Obrázok 1 je bloková schéma základného systému riadenia napätia (VMC) s uzavretou slučkou. Výkonový stupeň pozostáva z vypínača a výstupného filtra. Kompenzačný blok obsahuje delič výstupného napätia, zosilňovač chýb, referenčné napätie a komponent kompenzácie slučky. Modulátor šírky impulzov (PWM) používa komparátor na porovnanie chybového signálu so signálom s pevnou rampou na vytvorenie sekvencie výstupných impulzov, ktorá je úmerná chybovému signálu.

Aj keď rôzne zaťaženia systému VMC majú prísne pravidlá výstupu a je ľahké ich synchronizovať s externými hodinami, štandardná architektúra má určité nevýhody. Kompenzácia slučky znižuje šírku pásma riadiacej slučky a spomaľuje prechodovú odozvu; zosilňovač chýb zvyšuje prevádzkový prúd a znižuje účinnosť.

Schéma riadenia konštantného zapnutia (COT) poskytuje dobrý prechodový výkon bez kompenzácie slučky. Ovládanie COT používa komparátor na porovnanie regulovaného výstupného napätia s referenčným napätím: keď je výstupné napätie menšie ako referenčné napätie, generuje sa pevný časovaný impulz. Pri nízkych pracovných cykloch to spôsobuje, že spínacia frekvencia je veľmi vysoká, takže adaptívny regulátor COT generuje čas zapnutia, ktorý sa mení so vstupným a výstupným napätím, čím je frekvencia v ustálenom stave takmer konštantná. Topológia D-CAP spoločnosti Texas Instrument je vylepšením adaptívneho prístupu COT: radič D-CAP pridáva na vstup komparátora spätnej väzby napätie rampy, ktoré zlepšuje výkon chvenia znížením pásma hluku v aplikácii. Obrázok 2 je porovnaním systémov COT a D-CAP.

Obrázok 2: Porovnanie štandardnej topológie COT (a) a topológie D-CAP (b) (Zdroj: Texas Instruments) Existuje niekoľko rôznych variantov topológie D-CAP pre rôzne potreby. Napríklad regulátor PWM s polovičným mostíkom TPS53632 používa architektúru D-CAP+, ktorá sa používa predovšetkým vo vysokoprúdových aplikáciách a môže poháňať úrovne výkonu až 1 MHz v prevodníkoch POL od 48 V do 1 V s účinnosťou až 92%.

Na rozdiel od D-CAP, spätnoväzobná slučka D-CAP+ pridáva komponentu, ktorá je úmerná indukovanému prúdu na presné ovládanie poklesu. Zvýšený chybový zosilňovač zlepšuje presnosť jednosmerného zaťaženia pri rôznych podmienkach vedenia a zaťaženia.

Výstupné napätie regulátora je nastavené vnútorným DAC. Tento cyklus začína, keď aktuálna spätná väzba dosiahne úroveň chybového napätia. Toto chybové napätie zodpovedá zosilnenému rozdielu napätia medzi nastaveným bodom napätia DAC a výstupným napätím spätnej väzby.

Krok 2: Zlepšite výkon v podmienkach slabého zaťaženia

Pokiaľ ide o prenosné a nositeľné zariadenia, je potrebné zlepšiť výkonnosť pri slabom zaťažení, aby sa predĺžila životnosť batérie. Mnoho prenosných a nositeľných aplikácií je väčšinu času v pohotovostnom režime s dočasným spánkom alebo „spánkom“s nízkou spotrebou, aktivuje sa iba v reakcii na vstup používateľa alebo pravidelné merania, takže minimalizujte spotrebu energie v pohotovostnom režime. Je to najvyššia priorita.

Topológia DCS-ControlTM (Direct Control to Seamless Transition to Energy Saver Mode) kombinuje výhody troch rôznych schém riadenia (tj režim hysterézie, režim napätia a prúdový režim) na zlepšenie výkonu pri svetelnom zaťažení, najmä pri prechode na opustenie stavu ľahkého zaťaženia. Táto topológia podporuje režimy PWM pre stredné a ťažké zaťaženia, ako aj režim úspory energie (PSM) pre ľahké zaťaženia.

Počas prevádzky PWM systém pracuje pri svojej menovitej spínacej frekvencii na základe vstupného napätia a riadi zmenu frekvencie. Ak sa záťažový prúd zníži, menič sa prepne na PSM, aby udržal vysokú účinnosť, kým neklesne na veľmi ľahké zaťaženie. Pri PSM sa spínacia frekvencia lineárne znižuje so záťažovým prúdom. Oba režimy sú riadené jediným riadiacim blokom, takže prechod z PWM do PSM je plynulý a nemá vplyv na výstupné napätie.

Obrázok 3 je blokový diagram DCS-ControlTM. Riadiaca slučka preberá informácie o zmene výstupného napätia a privádza ich priamo späť do rýchleho komparátora. Komparátor nastavuje spínaciu frekvenciu (ako konštantu pre prevádzkové podmienky v ustálenom stave) a poskytuje okamžitú reakciu na dynamické zmeny zaťaženia. Smyčka spätnej väzby napätia presne reguluje jednosmerné zaťaženie. Interne kompenzovaná regulačná sieť umožňuje rýchlu a stabilnú prevádzku s malými externými komponentmi a kondenzátormi s nízkym ESR.

Obrázok 3: Implementácia topológie DCS-ControlTM v prevodníku dolárov TPS62130 (Zdroj: Texas Instruments)

Synchrónny menič výkonu TPS6213xA-Q1 je založený na topológii DCS-ControlTM a je optimalizovaný pre aplikácie POL s vysokou hustotou výkonu. Typická spínacia frekvencia 2,5 MHz umožňuje použitie malých induktorov a poskytuje rýchlu prechodovú odozvu a vysokú presnosť výstupného napätia. TPS6213 pracuje z rozsahu vstupného napätia 3V až 17V a môže dodávať až 3A nepretržitého prúdu medzi výstupným napätím 0,9V a 6V.