Paano Makakatugon ang Mga Hamunin ng Disenyo ng Supply ng Lakas ng DC-DC Technologies: 3 Mga Hakbang

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:13

Susuriin ko kung paano makamit ang disenyo ng suplay ng kuryente na hinahamon ng DC-DC Technologies.

Ang mga taga-disenyo ng system ng kuryente ay nakaharap sa patuloy na presyon mula sa merkado upang makahanap ng mga paraan upang masulit ang magagamit na lakas. Sa mga portable na aparato, ang mas mataas na kahusayan ay nagpapalawak ng buhay ng baterya at naglalagay ng higit na pag-andar sa mas maliit na mga pakete. Sa mga server at base station, ang mga nakakakuha ng kahusayan ay maaaring direktang makatipid ng mga imprastraktura (mga sistema ng paglamig) at mga gastos sa pagpapatakbo (singil sa kuryente). Upang matugunan ang mga hinihingi sa merkado, pinapabuti ng mga taga-disenyo ng system ang mga proseso ng pag-convert ng kuryente sa maraming mga lugar, kabilang ang mas mahusay na paglipat ng mga topolohiya, mga pagbabago sa package, at mga bagong aparato na semiconductor batay sa silicon carbide (SiC) at gallium nitride (GaN).

Hakbang 1: Pagpapabuti ng Topology ng Paglipat ng Converter

Upang lubos na samantalahin ang magagamit na lakas, ang mga tao ay lalong gumagamit ng mga disenyo batay sa paglipat ng teknolohiya kaysa sa linear na teknolohiya. Ang switching power supply (SMPS) ay may mabisang lakas na higit sa 90%. Pinapalawak nito ang buhay ng baterya ng mga portable system, binabawasan ang gastos ng kuryente para sa malalaking kagamitan, at nakakatipid ng puwang na ginamit dati para sa mga sangkap ng heat sink.

Ang paglipat sa isang inilipat na topolohiya ay may ilang mga sagabal, at ang mas kumplikadong disenyo ay nangangailangan ng mga tagadisenyo na magkaroon ng maraming mga kasanayan. Ang mga inhinyero ng disenyo ay dapat pamilyar sa mga teknolohiyang analog at digital, electromagnetics, at kontrol ng closed-loop. Ang mga tagadisenyo ng mga naka-print na circuit board (PCBs) ay dapat magbayad ng higit na pansin sa electromagnetic interferensi (EMI) dahil ang mataas na dalas ng paglipat ng mga waveform ay maaaring maging sanhi ng mga problema sa mga sensitibong analog at RF circuit.

Bago ang pag-imbento ng transistor, iminungkahi ang pangunahing konsepto ng switch ng mode na switch-mode: halimbawa, naimbento ang sistemang Kate na uri ng inductive debit noong 1910, na gumamit ng isang mechanical vibrator upang magpatupad ng isang flyback boost converter para sa isang automotive system na pag-aapoy..

Karamihan sa mga karaniwang topology ay nasa paligid ng mga dekada, ngunit hindi nangangahulugang hindi inaayos ng mga inhinyero ang karaniwang mga disenyo upang mapaunlakan ang mga bagong aplikasyon, lalo na ang mga loop ng kontrol. Ang karaniwang arkitektura ay gumagamit ng isang nakapirming dalas upang mapanatili ang isang pare-pareho na boltahe ng output sa pamamagitan ng pagpapakain sa likod ng bahagi ng output boltahe (boltahe mode control) o pagkontrol sa sapilitan kasalukuyang (kasalukuyang kontrol ng mode) sa ilalim ng iba't ibang mga kundisyon ng pag-load. Ang mga taga-disenyo ay patuloy na nagpapabuti upang mapagtagumpayan ang mga bahid ng pangunahing disenyo.

Ang Larawan 1 ay isang diagram ng block ng isang pangunahing sistemang closed loop voltage mode mode (VMC) system. Ang yugto ng kuryente ay binubuo ng isang power switch at isang output filter. Kasama sa block block ang isang output divider ng output, isang error amplifier, isang sanggunian na boltahe, at isang bahagi ng kompensasyon ng loop. Ang isang pulse width modulator (PWM) ay gumagamit ng isang kumpara upang ihambing ang signal ng error sa isang nakapirming ramp signal upang makagawa ng isang output pulse series na proporsyonal sa signal ng error.

Bagaman ang magkakaibang pag-load ng system ng VMC ay may mahigpit na mga panuntunan sa output at madaling mai-synchronize sa panlabas na orasan, ang pamantayang arkitektura ay may ilang mga sagabal. Binabawasan ng kabayaran ng loop ang bandwidth ng control loop at pinapabagal ang pansamantalang tugon; ang error amplifier ay nagdaragdag ng kasalukuyang operating at binabawasan ang kahusayan.

Ang pare-parehong on-time (COT) control scheme ay nagbibigay ng mahusay na pansamantalang pagganap nang walang loop na kabayaran. Gumagamit ang kontrol ng COT ng isang kumpara upang ihambing ang kinokontrol na boltahe ng output sa sanggunian na boltahe: kapag ang boltahe ng output ay mas mababa kaysa sa sanggunian boltahe, isang nakapirming on-time na pulso ay nabuo. Sa mga cycle ng mababang tungkulin, sanhi ito ng dalas ng paglipat na napakataas, kaya ang adaptive COT controller ay bumubuo ng isang on-time na nag-iiba sa input at output voltages, na pinapanatili ang dalas ng halos pare-pareho sa matatag na estado. Ang topology ng D-CAP ng Texas Instrument ay isang pagpapabuti sa adaptive COT na diskarte: ang D-CAP controller ay nagdaragdag ng isang boltahe ng rampa sa input ng kumpare ng feedback, na nagpapabuti sa pagganap ng jitter sa pamamagitan ng pagbawas ng banda ng ingay sa application. Ang Larawan 2 ay isang paghahambing ng mga system ng COT at D-CAP.

Larawan 2: Paghahambing ng karaniwang topology ng COT (a) at topolohiya ng D-CAP (b) (Pinagmulan: Texas Instruments) Mayroong maraming magkakaibang pagkakaiba-iba ng topology ng D-CAP para sa iba't ibang mga pangangailangan. Halimbawa, ang TPS53632 half-bridge PWM controller ay gumagamit ng arkitektura ng D-CAP +, na pangunahing ginagamit sa mga kasalukuyang kasalukuyang application at maaaring humimok ng mga antas ng kuryente hanggang sa 1MHz sa 48V hanggang 1V POL converter na may mga kahusayan na kasing taas ng 92%.

Hindi tulad ng D-CAP, ang loop ng feedback ng D-CAP + ay nagdaragdag ng isang bahagi na proporsyonal sa sapilitan kasalukuyang para sa tumpak na kontrol ng droop. Ang pinataas na amplifier ng error ay nagpapabuti sa kawastuhan ng pag-load ng DC sa ilalim ng iba't ibang mga kondisyon sa linya at pag-load.

Ang boltahe ng output ng controller ay itinakda ng panloob na DAC. Nagsisimula ang cycle na ito kapag naabot ng kasalukuyang feedback ang antas ng boltahe ng error. Ang boltahe ng error na ito ay tumutugma sa pinalakas na pagkakaiba ng boltahe sa pagitan ng DAC set point voltage at ng feedback output voltage.

Hakbang 2: Pagbutihin ang Pagganap Sa ilalim ng Mga Kundisyon ng Magaang Pag-load

Para sa mga portable at naisusuot na aparato, kailangang mapabuti ang pagganap sa ilalim ng mga kundisyon ng magaan na pag-load upang mapahaba ang buhay ng baterya. Maraming mga portable at naisusuot na mga application ay nasa isang mababang kapangyarihan na "pansamantalang pagtulog" o "pagtulog" na standby mode sa halos lahat ng oras, naaktibo lamang bilang tugon sa pag-input ng gumagamit o panaka-nakang pagsukat, kaya't i-minimize ang pagkonsumo ng kuryente sa standby mode. Ito ang pangunahing priyoridad.

Ang DCS-ControlTM (Direct Control to Seamless Transition to Energy Saver Mode) na topology ay pinagsasama ang mga pakinabang ng tatlong magkakaibang mga scheme ng kontrol (ibig sabihin, mode ng hysteresis, mode ng boltahe, at kasalukuyang mode) upang mapabuti ang pagganap sa ilalim ng mga kundisyon ng ilaw ng pag-load, lalo na ang paglipat sa O kapag umaalis sa estado ng magaan na pag-load. Sinusuportahan ng topolohiya na ito ang mga mode ng PWM para sa daluyan at mabibigat na mga pag-load, pati na rin ang mode ng pag-save ng kuryente (PSM) para sa magaan na pag-load.

Sa panahon ng pagpapatakbo ng PWM, nagpapatakbo ang system sa na-rate na dalas ng paglipat nito batay sa boltahe ng pag-input at kinokontrol ang pagbabago ng dalas. Kung bumababa ang kasalukuyang pag-load, ang converter ay lilipat sa PSM upang mapanatili ang mataas na kahusayan hanggang sa bumaba ito sa isang napakagaan na karga. Sa PSM, ang dalas ng paglipat ay bumababa nang linear na may kasalukuyang pag-load. Ang parehong mga mode ay kinokontrol ng isang solong control block, kaya ang paglipat mula sa PWM patungong PSM ay seamless at hindi nakakaapekto sa output boltahe.

Ang Larawan 3 ay isang diagram ng block ng DCS-ControlTM. Ang control loop ay kukuha ng impormasyon tungkol sa pagbabago ng boltahe ng output at feed ito nang direkta pabalik sa mabilis na kumpare. Itinatakda ng kumpare ang dalas ng paglipat (bilang isang pare-pareho para sa mga kondisyon ng pagpapatakbo ng estado na matatag) at nagbibigay ng agarang tugon sa mga pagbabago sa pabagu-bagong pag-load. Ang loop ng feedback ng boltahe ay tumpak na kinokontrol ang pag-load ng DC. Ang panloob na bayad na network ng regulasyon ay nagbibigay-daan sa mabilis at matatag na operasyon na may maliit na panlabas na mga bahagi at mababang mga capacitor ng ESR.

Larawan 3: Pagpapatupad ng topology ng DCS-ControlTM sa TPS62130 buck converter (Pinagmulan: Texas Instruments)

Ang TPS6213xA-Q1 kasabay na switching power converter ay batay sa topology ng DCS-ControlTM at na-optimize para sa mataas na lakas na aplikasyon ng POL. Pinapayagan ng tipikal na 2.5MHz na dalas ng paglipat ang paggamit ng maliit na mga inductor at nagbibigay ng mabilis na pansamantalang tugon at kawastuhan ng mataas na output ng boltahe. Ang TPS6213 ay nagpapatakbo mula sa isang input na saklaw ng boltahe ng 3V hanggang 17V at maaaring maghatid ng hanggang sa 3A ng tuluy-tuloy na kasalukuyang sa pagitan ng 0.9V at 6V output voltages.