W jaki sposób technologie DC-DC spełniają wyzwania związane z projektowaniem zasilaczy: 3 kroki

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:30

Przeanalizuję, w jaki sposób wyzwanie projektowe zasilacza spełnia DC-DC Technologies.

Projektanci systemów zasilania są pod stałą presją rynku, aby znaleźć sposoby na maksymalne wykorzystanie dostępnej mocy. W urządzeniach przenośnych wyższa wydajność wydłuża żywotność baterii i zapewnia większą funkcjonalność w mniejszych obudowach. W przypadku serwerów i stacji bazowych wzrost wydajności może bezpośrednio obniżyć koszty infrastruktury (systemy chłodzenia) i koszty operacyjne (rachunki za energię elektryczną). Aby sprostać wymaganiom rynku, projektanci systemów ulepszają procesy konwersji energii w wielu obszarach, w tym bardziej wydajne topologie przełączania, innowacje w pakietach oraz nowe urządzenia półprzewodnikowe oparte na węgliku krzemu (SiC) i azotku galu (GaN).

Krok 1: Poprawa topologii przełączania konwertera

Aby w pełni wykorzystać dostępną moc, ludzie coraz częściej przyjmują projekty oparte na technologii przełączania, a nie na technologii liniowej. Zasilacz impulsowy (SMPS) ma efektywną moc ponad 90%. Wydłuża to żywotność baterii systemów przenośnych, zmniejsza koszty energii elektrycznej dla dużych urządzeń i oszczędza miejsce wcześniej wykorzystywane na elementy radiatora.

Przejście na przełączaną topologię ma pewne wady, a bardziej złożony projekt wymaga od projektantów wielu umiejętności. Inżynierowie projektanci muszą być zaznajomieni z technologiami analogowymi i cyfrowymi, elektromagnetyzmem i sterowaniem w pętli zamkniętej. Projektanci płytek drukowanych (PCB) muszą zwracać większą uwagę na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI), ponieważ przebiegi przełączające o wysokiej częstotliwości mogą powodować problemy we wrażliwych obwodach analogowych i RF.

Przed wynalezieniem tranzystora zaproponowano podstawową koncepcję konwersji mocy w trybie impulsowym: na przykład system wyładowań indukcyjnych typu Kate wynaleziony w 1910 roku, w którym zastosowano wibrator mechaniczny do implementacji przetwornicy typu flyback do samochodowego układu zapłonowego.

Większość standardowych topologii istnieje od dziesięcioleci, ale to nie znaczy, że inżynierowie nie dostosowują standardowych projektów do nowych aplikacji, zwłaszcza pętli sterowania. Standardowa architektura wykorzystuje stałą częstotliwość do utrzymania stałego napięcia wyjściowego poprzez zwrot części napięcia wyjściowego (sterowanie trybem napięciowym) lub sterowanie indukowanym prądem (kontrola trybu prądowego) w różnych warunkach obciążenia. Projektanci stale się doskonalą, aby przezwyciężyć wady podstawowego projektu.

Rysunek 1 jest schematem blokowym podstawowego systemu sterowania trybem napięcia w pętli zamkniętej (VMC). Stopień mocy składa się z wyłącznika zasilania i filtra wyjściowego. Blok kompensacyjny zawiera dzielnik napięcia wyjściowego, wzmacniacz błędu, napięcie odniesienia i element kompensacji pętli. Modulator szerokości impulsu (PWM) wykorzystuje komparator do porównania sygnału błędu z sygnałem o stałej rampie w celu wytworzenia wyjściowej sekwencji impulsów, która jest proporcjonalna do sygnału błędu.

Chociaż różne obciążenia systemu VMC mają ścisłe reguły wyjściowe i można je łatwo zsynchronizować z zegarem zewnętrznym, standardowa architektura ma pewne wady. Kompensacja pętli zmniejsza szerokość pasma pętli sterowania i spowalnia odpowiedź transjentów; wzmacniacz błędu zwiększa prąd roboczy i zmniejsza wydajność.

Schemat sterowania ze stałym czasem działania (COT) zapewnia dobrą wydajność w stanach przejściowych bez kompensacji pętli. Sterowanie COT wykorzystuje komparator do porównania regulowanego napięcia wyjściowego z napięciem odniesienia: gdy napięcie wyjściowe jest mniejsze niż napięcie odniesienia, generowany jest stały impuls w czasie. Przy niskich cyklach pracy powoduje to, że częstotliwość przełączania jest bardzo wysoka, więc adaptacyjny sterownik COT generuje czas włączenia, który zmienia się wraz z napięciem wejściowym i wyjściowym, co utrzymuje częstotliwość prawie stałą w stanie ustalonym. Topologia D-CAP firmy Texas Instrument jest ulepszeniem w stosunku do adaptacyjnego podejścia COT: sterownik D-CAP dodaje napięcie rampy do wejścia komparatora sprzężenia zwrotnego, co poprawia jitter poprzez redukcję pasma szumów w aplikacji. Rysunek 2 przedstawia porównanie systemów COT i D-CAP.

Rysunek 2: Porównanie topologii standardowej COT (a) i topologii D-CAP (b) (Źródło: Texas Instruments) Istnieje kilka różnych wariantów topologii D-CAP dla różnych potrzeb. Na przykład półmostkowy kontroler PWM TPS53632 wykorzystuje architekturę D-CAP+, która jest używana głównie w zastosowaniach wysokoprądowych i może sterować poziomami mocy do 1 MHz w konwerterach POL 48 V na 1 V z wydajnością do 92%.

W przeciwieństwie do D-CAP, pętla sprzężenia zwrotnego D-CAP+ dodaje składnik proporcjonalny do indukowanego prądu, co zapewnia precyzyjną kontrolę spadku. Wzmacniacz o zwiększonym błędzie poprawia dokładność obciążenia DC w różnych warunkach linii i obciążenia.

Napięcie wyjściowe kontrolera jest ustawiane przez wewnętrzny przetwornik cyfrowo-analogowy. Cykl ten rozpoczyna się, gdy prądowe sprzężenie zwrotne osiągnie poziom napięcia błędu. To napięcie błędu odpowiada wzmocnionej różnicy napięć między napięciem zadanym przetwornika cyfrowo-analogowego a napięciem wyjściowym sprzężenia zwrotnego.

Krok 2: Popraw wydajność w warunkach małego obciążenia

W przypadku urządzeń przenośnych i ubieralnych istnieje potrzeba poprawy wydajności w warunkach niewielkiego obciążenia, aby wydłużyć żywotność baterii. Wiele aplikacji przenośnych i noszonych na ciele znajduje się przez większość czasu w trybie „tymczasowego uśpienia” lub „uśpienia” o niskim poborze mocy, aktywowanym tylko w odpowiedzi na działania użytkownika lub okresowe pomiary, dzięki czemu minimalizujemy zużycie energii w trybie czuwania. To najwyższy priorytet.

Topologia DCS-ControlTM (Direct Control to Seamless Transition to Energy Saver Mode) łączy zalety trzech różnych schematów sterowania (tj. trybu histerezy, trybu napięciowego i trybu prądowego) w celu poprawy wydajności w warunkach małego obciążenia, zwłaszcza przejścia do trybu Or, gdy wyjście ze stanu lekkiego obciążenia. Ta topologia obsługuje tryby PWM dla średnich i ciężkich obciążeń, a także tryb oszczędzania energii (PSM) dla lekkich obciążeń.

Podczas pracy PWM system działa ze swoją znamionową częstotliwością przełączania w oparciu o napięcie wejściowe i steruje zmianą częstotliwości. Jeśli prąd obciążenia spada, konwerter przełącza się na PSM, aby utrzymać wysoką sprawność, aż do bardzo niskiego obciążenia. W PSM częstotliwość przełączania zmniejsza się liniowo wraz z prądem obciążenia. Oba tryby są kontrolowane przez jeden blok sterujący, dzięki czemu przejście z PWM na PSM jest płynne i nie wpływa na napięcie wyjściowe.

Rysunek 3 przedstawia schemat blokowy systemu DCS-ControlTM. Pętla sterowania pobiera informacje o zmianie napięcia wyjściowego i przekazuje je bezpośrednio z powrotem do szybkiego komparatora. Komparator ustawia częstotliwość przełączania (jako stałą dla ustalonych warunków pracy) i zapewnia natychmiastową reakcję na dynamiczne zmiany obciążenia. Pętla sprzężenia zwrotnego napięcia dokładnie reguluje obciążenie DC. Wewnętrznie skompensowana sieć regulacji umożliwia szybką i stabilną pracę z małymi komponentami zewnętrznymi i kondensatorami o niskim ESR.

Rysunek 3: Implementacja topologii DCS-ControlTM w konwerterze buck TPS62130 (źródło: Texas Instruments)

Synchroniczny przełączający konwerter mocy TPS6213xA-Q1 jest oparty na topologii DCS-ControlTM i jest zoptymalizowany pod kątem aplikacji POL o dużej gęstości mocy. Typowa częstotliwość przełączania 2,5 MHz pozwala na zastosowanie małych cewek indukcyjnych i zapewnia szybką odpowiedź przejściową oraz wysoką dokładność napięcia wyjściowego. TPS6213 działa w zakresie napięcia wejściowego od 3 V do 17 V i może dostarczać do 3 A ciągłego prądu o napięciu wyjściowym od 0,9 V do 6 V.