DC-DC Teknolojileri ile Güç Kaynağı Tasarımının Zorlukları Nasıl Karşılanıyor: 3 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:19

Güç kaynağı tasarımının DC-DC Technologies tarafından nasıl karşılandığını analiz edeceğim.

Güç sistemi tasarımcıları, mevcut güçten en iyi şekilde yararlanmanın yollarını bulmak için piyasadan gelen sürekli baskıyla karşı karşıyadır. Taşınabilir cihazlarda daha yüksek verimlilik, pil ömrünü uzatır ve daha küçük paketlere daha fazla işlevsellik getirir. Sunucularda ve baz istasyonlarında verimlilik kazanımları, altyapı (soğutma sistemleri) ve işletme maliyetlerinden (elektrik faturaları) doğrudan tasarruf sağlayabilir. Sistem tasarımcıları, pazar taleplerini karşılamak için daha verimli anahtarlama topolojileri, paket yenilikleri ve silikon karbür (SiC) ve galyum nitrür (GaN) bazlı yeni yarı iletken cihazlar dahil olmak üzere birçok alanda güç dönüştürme süreçlerini iyileştiriyor.

Adım 1: Anahtarlamalı Dönüştürücü Topolojisinin İyileştirilmesi

Mevcut güçten tam olarak yararlanmak için insanlar giderek lineer teknolojiden ziyade anahtarlama teknolojisine dayalı tasarımları benimsiyor. Anahtarlamalı güç kaynağı (SMPS) %90'ın üzerinde bir etkin güce sahiptir. Bu, taşınabilir sistemlerin pil ömrünü uzatır, büyük ekipman için elektrik maliyetini düşürür ve daha önce soğutucu bileşenleri için kullanılan yerden tasarruf sağlar.

Anahtarlamalı bir topolojiye geçişin bazı dezavantajları vardır ve daha karmaşık tasarımı, tasarımcıların birden fazla beceriye sahip olmasını gerektirir. Tasarım mühendisleri, analog ve dijital teknolojiler, elektromanyetikler ve kapalı döngü kontrolü hakkında bilgi sahibi olmalıdır. Baskılı devre kartlarının (PCB'ler) tasarımcıları, yüksek frekanslı anahtarlama dalga biçimleri hassas analog ve RF devrelerinde sorunlara neden olabileceğinden elektromanyetik girişime (EMI) daha fazla dikkat etmelidir.

Transistörün icadından önce, anahtarlamalı güç dönüşümünün temel konsepti önerildi: örneğin, bir otomotiv ateşleme sistemi için bir geri dönüş güçlendirici dönüştürücü uygulamak için mekanik bir vibratör kullanan, 1910'da icat edilen Kate tipi endüktif deşarj sistemi.

Çoğu standart topoloji on yıllardır var, ancak bu, mühendislerin standart tasarımları yeni uygulamalara, özellikle de kontrol döngülerine uyacak şekilde ayarlamadığı anlamına gelmiyor. Standart mimari, çıkış voltajının bir kısmını geri besleyerek (voltaj modu kontrolü) veya farklı yük koşulları altında indüklenen akımı kontrol ederek (akım modu kontrolü) sabit bir çıkış voltajını korumak için sabit bir frekans kullanır. Tasarımcılar, temel tasarımın kusurlarının üstesinden gelmek için sürekli olarak gelişiyor.

Şekil 1, temel bir kapalı döngü voltaj modu kontrol (VMC) sisteminin bir blok diyagramıdır. Güç aşaması, bir güç anahtarı ve bir çıkış filtresinden oluşur. Kompanzasyon bloğu, bir çıkış voltajı bölücü, bir hata yükselticisi, bir referans voltajı ve bir döngü kompanzasyon bileşeni içerir. Bir darbe genişlik modülatörü (PWM), hata sinyaliyle orantılı bir çıkış darbe dizisi üretmek için hata sinyalini sabit bir rampa sinyaliyle karşılaştırmak için bir karşılaştırıcı kullanır.

VMC sisteminin farklı yüklerinin katı çıkış kuralları olmasına ve harici saatle senkronizasyonu kolay olmasına rağmen, standart mimarinin bazı dezavantajları vardır. Döngü kompanzasyonu, kontrol döngüsünün bant genişliğini azaltır ve geçici tepkiyi yavaşlatır; hata yükseltici, çalışma akımını arttırır ve verimliliği azaltır.

Sabit açık zamanlı (COT) kontrol şeması, döngü kompanzasyonu olmadan iyi bir geçici performans sağlar. COT kontrolü, düzenlenmiş çıkış voltajını referans voltajla karşılaştırmak için bir karşılaştırıcı kullanır: çıkış voltajı referans voltajdan düşük olduğunda, sabit bir açık zamanlı darbe üretilir. Düşük görev döngülerinde, bu, anahtarlama frekansının çok yüksek olmasına neden olur, bu nedenle uyarlamalı COT kontrolörü, frekansı sabit durumda neredeyse sabit tutan giriş ve çıkış voltajlarına göre değişen bir açık zaman oluşturur. Texas Instrument'ın D-CAP topolojisi, uyarlamalı COT yaklaşımına göre bir gelişmedir: D-CAP denetleyicisi, uygulamadaki gürültü bandını azaltarak titreşim performansını artıran geri besleme karşılaştırıcı girişine bir rampa voltajı ekler. Şekil 2, COT ve D-CAP sistemlerinin bir karşılaştırmasıdır.

Şekil 2: Standart COT topolojisi (a) ve D-CAP topolojisinin (b) karşılaştırması (Kaynak: Texas Instruments) Farklı ihtiyaçlar için D-CAP topolojisinin birkaç farklı çeşidi vardır. Örneğin, TPS53632 yarım köprü PWM denetleyicisi, öncelikli olarak yüksek akım uygulamalarında kullanılan D-CAP+ mimarisini kullanır ve 48V ila 1V POL dönüştürücülerde 1MHz'e kadar güç seviyelerini %92'ye varan verimlilikle çalıştırabilir.

D-CAP'den farklı olarak, D-CAP+ geri besleme döngüsü, hassas düşüş kontrolü için indüklenen akımla orantılı bir bileşen ekler. Artan hata amplifikatörü, çeşitli hat ve yük koşulları altında DC yükünün doğruluğunu artırır.

Kontrolörün çıkış voltajı dahili DAC tarafından ayarlanır. Bu döngü, akım geri beslemesi hata voltajı seviyesine ulaştığında başlar. Bu hata voltajı, DAC ayar noktası voltajı ile geri besleme çıkış voltajı arasındaki yükseltilmiş voltaj farkına karşılık gelir.

Adım 2: Hafif Yük Koşullarında Performansı Artırın

Taşınabilir ve giyilebilir cihazlar için, pil ömrünü uzatmak için hafif yük koşullarında performansın iyileştirilmesine ihtiyaç vardır. Birçok taşınabilir ve giyilebilir uygulama, çoğu zaman düşük güçlü "geçici uyku" veya "uyku" bekleme modundadır, yalnızca kullanıcı girişi veya periyodik ölçümlere yanıt olarak etkinleştirilir, bu nedenle bekleme modunda güç tüketimini en aza indirin. En önemli önceliktir.

DCS-ControlTM (Doğrudan Kontrolden Enerji Tasarrufu Moduna Sorunsuz Geçişe Geçiş) topolojisi, hafif yük koşullarında, özellikle Or'a geçiş sırasında performansı artırmak için üç farklı kontrol şemasının (yani histerez modu, voltaj modu ve akım modu) avantajlarını birleştirir. hafif yük durumundan çıkmak. Bu topoloji, orta ve ağır yükler için PWM modlarının yanı sıra hafif yükler için güç tasarrufu modunu (PSM) destekler.

PWM çalışması sırasında sistem, giriş voltajına bağlı olarak anma anahtarlama frekansında çalışır ve frekans değişimini kontrol eder. Yük akımı azalırsa, dönüştürücü çok hafif bir yüke düşene kadar yüksek verimliliği korumak için PSM'ye geçer. PSM'de anahtarlama frekansı yük akımı ile doğrusal olarak azalır. Her iki mod da tek bir kontrol bloğu tarafından kontrol edilir, bu nedenle PWM'den PSM'ye geçiş sorunsuzdur ve çıkış voltajını etkilemez.

Şekil 3, DCS-ControlTM'nin bir blok şemasıdır. Kontrol döngüsü, çıkış voltajındaki değişiklik hakkında bilgi alır ve bunu doğrudan hızlı karşılaştırıcıya geri besler. Karşılaştırıcı, anahtarlama frekansını (kararlı durum çalışma koşulları için bir sabit olarak) ayarlar ve dinamik yük değişikliklerine anında yanıt verir. Gerilim geri besleme döngüsü, DC yükünü doğru bir şekilde düzenler. Dahili olarak dengelenmiş düzenleme ağı, küçük harici bileşenler ve düşük ESR kapasitörleri ile hızlı ve kararlı çalışmayı sağlar.

Şekil 3: DCS-ControlTM topolojisinin TPS62130 dönüştürücüde uygulanması (Kaynak: Texas Instruments)

TPS6213xA-Q1 senkron anahtarlamalı güç dönüştürücü, DCS-ControlTM topolojisine dayalıdır ve yüksek güç yoğunluklu POL uygulamaları için optimize edilmiştir. Tipik 2.5MHz anahtarlama frekansı, küçük indüktörlerin kullanımına izin verir ve hızlı geçici yanıt ve yüksek çıkış voltajı doğruluğu sağlar. TPS6213, 3V ila 17V giriş voltajı aralığında çalışır ve 0,9V ile 6V çıkış voltajları arasında 3A'ya kadar sürekli akım sağlayabilir.