როგორ ხვდება ელექტრომომარაგების დიზაინის გამოწვევები DC-DC ტექნოლოგიების მიერ: 3 ნაბიჯი

2024 ავტორი: John Day | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-30 10:18

მე გავაანალიზებ, თუ როგორ ხვდება გამოწვევის დენის წყაროს დიზაინი DC-DC ტექნოლოგიების მიერ.

ენერგოსისტემის დიზაინერები მუდმივი ზეწოლის წინაშე დგანან ბაზრიდან, რათა მოიძიონ გზები, რათა გამოიყენონ არსებული ენერგია. პორტატულ მოწყობილობებში, უფრო მაღალი ეფექტურობა აფართოებს ბატარეის ხანგრძლივობას და უფრო მეტ ფუნქციურობას ათავსებს პატარა პაკეტებში. სერვერებსა და საბაზო სადგურებში, ეფექტურობის მიღწევამ შეიძლება პირდაპირ დაზოგოს ინფრასტრუქტურა (გაგრილების სისტემები) და საოპერაციო ხარჯები (ელექტროენერგიის გადასახადები). ბაზრის მოთხოვნების დასაკმაყოფილებლად, სისტემის დიზაინერები აუმჯობესებენ ენერგიის გარდაქმნის პროცესებს მრავალ სფეროში, მათ შორის უფრო ეფექტურ გადართვის ტოპოლოგიებს, პაკეტის ინოვაციებს და ახალ ნახევარგამტარ მოწყობილობებს, რომლებიც დაფუძნებულია სილიციუმის კარბიდზე (SiC) და გალიუმის ნიტრიდზე (GaN).

ნაბიჯი 1: გადართვის კონვერტორული ტოპოლოგიის გაუმჯობესება

არსებული ენერგიის სრულად გამოყენების მიზნით, ხალხი სულ უფრო მეტად იღებს დიზაინს, რომელიც ემყარება გადართვის ტექნოლოგიას და არა ხაზოვან ტექნოლოგიას. გადართვის დენის წყაროს (SMPS) აქვს ეფექტური სიმძლავრე 90%-ზე მეტი. ეს აფართოებს პორტატული სისტემების ბატარეის ხანგრძლივობას, ამცირებს ელექტროენერგიის ღირებულებას დიდი აღჭურვილობისთვის და ზოგავს ადგილს, რომელიც ადრე იყო გამოყენებული გათბობის რადიატორის კომპონენტებისთვის.

გადართულ ტოპოლოგიაზე გადასვლას აქვს გარკვეული ნაკლი და მისი უფრო რთული დიზაინი მოითხოვს დიზაინერებს ჰქონდეთ მრავალი უნარი. დიზაინერმა ინჟინრებმა უნდა იცოდნენ ანალოგური და ციფრული ტექნოლოგიები, ელექტრომაგნიტიკა და დახურული მარყუჟის კონტროლი. ბეჭდური მიკროსქემის დაფების (PCB) დიზაინერებმა მეტი ყურადღება უნდა მიაქციონ ელექტრომაგნიტურ ჩარევას (EMI), რადგან მაღალი სიხშირის გადართვის ტალღების ფორმებმა შეიძლება გამოიწვიოს პრობლემები მგრძნობიარე ანალოგურ და RF სქემებში.

ტრანზისტორის გამოგონებამდე შემოთავაზებული იყო გადართული რეჟიმის სიმძლავრის გარდაქმნის ძირითადი კონცეფცია: მაგალითად, კეიტის ტიპის ინდუქციური გამონადენის სისტემა, რომელიც გამოიგონეს 1910 წელს, რომელმაც გამოიყენა მექანიკური ვიბრატორი საავტომობილო ანთების სისტემის flyback გამაძლიერებელი გადამყვანის განსახორციელებლად. რა

სტანდარტული ტოპოლოგიების უმეტესობა არსებობს ათწლეულების განმავლობაში, მაგრამ ეს არ ნიშნავს იმას, რომ ინჟინრები არ არეგულირებენ სტანდარტულ დიზაინს ახალი პროგრამების შესასრულებლად, განსაკუთრებით საკონტროლო მარყუჟებისათვის. სტანდარტული არქიტექტურა იყენებს ფიქსირებულ სიხშირეს მუდმივი გამომავალი ძაბვის შესანარჩუნებლად გამომავალი ძაბვის ნაწილის უკმარისობით (ძაბვის რეჟიმის კონტროლი) ან გამოწვეული დენის კონტროლით (მიმდინარე რეჟიმის კონტროლი) სხვადასხვა დატვირთვის პირობებში. დიზაინერები მუდმივად იხვეწებიან ძირითადი დიზაინის ხარვეზების დასაძლევად.

სურათი 1 არის ძირითადი დახურული მარყუჟის ძაბვის რეჟიმის კონტროლის (VMC) სისტემის ბლოკ -დიაგრამა. დენის ეტაპი შედგება დენის გადამრთველისა და გამომავალი ფილტრისგან. კომპენსაციის ბლოკი მოიცავს გამომავალი ძაბვის გამყოფს, შეცდომის გამაძლიერებელს, საცნობარო ძაბვას და მარყუჟის კომპენსაციის კომპონენტს. პულსის სიგანის მოდულატორი (PWM) იყენებს შემადარებელს, რომ შეადაროს შეცდომის სიგნალი ფიქსირებულ პანდუს სიგნალს, რათა გამოიმუშაოს პულსის თანმიმდევრობა, რომელიც პროპორციულია შეცდომის სიგნალთან.

მიუხედავად იმისა, რომ VMC სისტემის სხვადასხვა დატვირთვას აქვს მკაცრი გამომავალი წესები და ადვილია სინქრონიზაცია გარე საათთან, სტანდარტულ არქიტექტურას აქვს გარკვეული ნაკლი. მარყუჟის კომპენსაცია ამცირებს საკონტროლო მარყუჟის გამტარობას და ანელებს გარდამავალ პასუხს; შეცდომის გამაძლიერებელი ზრდის საოპერაციო დენს და ამცირებს ეფექტურობას.

მუდმივი დროული (COT) კონტროლის სქემა უზრუნველყოფს კარგ გარდამავალ შესრულებას მარყუჟის კომპენსაციის გარეშე. COT კონტროლი იყენებს შედარება რეგულირებადი გამომავალი ძაბვის საცნობარო ძაბვასთან შესადარებლად: როდესაც გამომავალი ძაბვა ნაკლებია საცნობარო ძაბვაზე, წარმოიქმნება ფიქსირებული დროული პულსი. დაბალი მოვლის ციკლის დროს, ეს იწვევს გადართვის სიხშირეს ძალიან მაღალს, ამიტომ ადაპტირებადი COT კონტროლერი წარმოქმნის დროულად, რომელიც იცვლება შეყვანის და გამომავალი ძაბვების მიხედვით, რაც სიხშირეს სტაბილურ მდგომარეობაში თითქმის მუდმივს ინარჩუნებს. Texas Instrument- ის D-CAP ტოპოლოგია არის გაუმჯობესება ადაპტირებადი COT მიდგომასთან შედარებით: D-CAP კონტროლერი ამატებს რამის ძაბვას უკუკავშირის შედარების შეყვანისას, რაც აუმჯობესებს jitter მუშაობას განაცხადში ხმაურის ზოლის შემცირებით. სურათი 2 არის COT და D-CAP სისტემების შედარება.

სურათი 2: სტანდარტული COT ტოპოლოგიის (a) და D-CAP ტოპოლოგიის (b) შედარება (წყარო: Texas Instruments) არსებობს D-CAP ტოპოლოგიის რამდენიმე განსხვავებული ვარიანტი სხვადასხვა საჭიროებისთვის. მაგალითად, TPS53632 ნახევარ ხიდიანი PWM კონტროლერი იყენებს D-CAP+ არქიტექტურას, რომელიც ძირითადად გამოიყენება მაღალი დონის პროგრამებში და შეუძლია სიმძლავრის დონე 1 მჰც – მდე 48V– დან 1V POL გადამყვანებში, ეფექტურობით 92%–მდე.

D-CAP- ისგან განსხვავებით, D-CAP+ უკუკავშირის მარყუჟი ამატებს კომპონენტს, რომელიც პროპორციულია გამოწვეული დენის ზუსტი დაცემის კონტროლისთვის. გაზრდილი შეცდომის გამაძლიერებელი აუმჯობესებს DC დატვირთვის სიზუსტეს სხვადასხვა ხაზისა და დატვირთვის პირობებში.

კონტროლერის გამომავალი ძაბვა დადგენილია შიდა DAC- ით. ეს ციკლი იწყება მაშინ, როდესაც მიმდინარე უკუკავშირი აღწევს შეცდომის ძაბვის დონეს. ეს შეცდომის ძაბვა შეესაბამება გაძლიერებული ძაბვის სხვაობას DAC მითითებული წერტილის ძაბვას და უკუკავშირის გამომავალ ძაბვას შორის.

ნაბიჯი 2: გააუმჯობესეთ მუშაობა მსუბუქი დატვირთვის პირობებში

პორტატული და ტარებადი მოწყობილობებისთვის, საჭიროა გაუმჯობესდეს შესრულება მსუბუქი დატვირთვის პირობებში, ბატარეის ხანგრძლივობის გასაგრძელებლად. ბევრი პორტატული და ტარებადი პროგრამა არის დაბალი სიმძლავრის "დროებითი ძილი" ან "ძილი" ლოდინის რეჟიმში უმეტეს დროს, მხოლოდ მომხმარებლის ჩართვის ან პერიოდული გაზომვების საპასუხოდ, ასე რომ შეამცირეთ ენერგიის მოხმარება ლოდინის რეჟიმში. ეს არის უმთავრესი პრიორიტეტი.

DCS-Control M (პირდაპირი კონტროლი ენერგიის დაზოგვის რეჟიმზე შეუფერხებელ გადასვლაზე) ტოპოლოგია აერთიანებს სამი განსხვავებული კონტროლის სქემის უპირატესობებს (ანუ ისტერიზის რეჟიმი, ძაბვის რეჟიმი და მიმდინარე რეჟიმი) მსუბუქი დატვირთვის პირობებში მუშაობის გასაუმჯობესებლად, განსაკუთრებით გადასვლა ან როდესაც მსუბუქი დატვირთვის მდგომარეობის დატოვება. ეს ტოპოლოგია მხარს უჭერს PWM რეჟიმებს საშუალო და მძიმე ტვირთისთვის, ასევე ენერგიის დაზოგვის რეჟიმს (PSM) მსუბუქი ტვირთისთვის.

PWM– ის მუშაობის დროს, სისტემა მუშაობს მისი გადართვის სიხშირეზე შეყვანის ძაბვის საფუძველზე და აკონტროლებს სიხშირის ცვლილებას. თუ დატვირთვის დენი მცირდება, კონვერტორი გადადის PSM– ზე მაღალი ეფექტურობის შესანარჩუნებლად, სანამ არ დაიკლებს ძალიან მსუბუქ დატვირთვას. PSM– ზე, გადართვის სიხშირე წრფივად მცირდება დატვირთვის დენით. ორივე რეჟიმი კონტროლდება ერთი საკონტროლო ბლოკით, ამიტომ PWM– დან PSM– ზე გადასვლა შეუფერხებელია და არ იმოქმედებს გამომავალ ძაბვაზე.

სურათი 3 არის DCS-ControlTM ბლოკის დიაგრამა. საკონტროლო მარყუჟი იღებს ინფორმაციას გამომავალი ძაბვის ცვლილების შესახებ და კვებავს მას უშუალოდ სწრაფ შედარებაში. შედარება ადგენს გადართვის სიხშირეს (როგორც მუდმივი სტაბილური მუშაობის პირობებში) და უზრუნველყოფს დაუყოვნებლივ რეაგირებას დინამიური დატვირთვის ცვლილებებზე. ძაბვის უკუკავშირის მარყუჟი ზუსტად არეგულირებს DC დატვირთვას. შინაგანად კომპენსირებული რეგულირების ქსელი იძლევა სწრაფ და სტაბილურ მუშაობას მცირე გარე კომპონენტებით და დაბალი ESR კონდენსატორებით.

სურათი 3: DCS-Control M ტოპოლოგიის დანერგვა TPS62130 მამლის გადამყვანში (წყარო: Texas Instruments)

TPS6213xA-Q1 სინქრონული გადართვის სიმძლავრის გადამყვანი ემყარება DCS-Control M ტოპოლოგიას და ოპტიმიზირებულია მაღალი სიმკვრივის POL პროგრამებისთვის. ტიპიური 2.5MHz გადართვის სიხშირე იძლევა მცირე ინდუქტორების გამოყენებას და უზრუნველყოფს სწრაფ გარდამავალ რეაგირებას და გამომავალი ძაბვის მაღალ სიზუსტეს. TPS6213 მუშაობს შეყვანის ძაბვის დიაპაზონიდან 3V– დან 17V– მდე და შეუძლია 3A– მდე უწყვეტი დენის მიწოდება 0.9V– დან 6V– მდე გამომავალ ძაბვებს შორის.