כיצד האתגרים של עיצוב אספקת החשמל עונים על ידי טכנולוגיות DC-DC: 3 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:15

אנתח כיצד עונה עיצוב האתגר של אספקת החשמל על ידי טכנולוגיות DC-DC.

מעצבי מערכות החשמל מתמודדות עם לחץ מתמיד מהשוק למצוא דרכים להפיק את המרב מהכוח הזמין. במכשירים ניידים, יעילות גבוהה יותר מאריכה את חיי הסוללה ומכניסה פונקציונליות רבה יותר לאריזות קטנות יותר. בשרתים ובתחנות בסיס, רווחי יעילות יכולים לחסוך ישירות בתשתיות (מערכות קירור) ובעלויות הפעלה (חשבונות חשמל). כדי לענות על דרישות השוק, מעצבי מערכות משפרים תהליכי המרת חשמל במספר תחומים, כולל טופולוגיות מיתוג יעילות יותר, חידושים בחבילות והתקני מוליכים למחצה חדשים המבוססים על סיליקון קרביד (SiC) וגליום ניטריד (GaN).

שלב 1: שיפור הטופולוגיה של ממיר המעבר

כדי לנצל את מלוא הכוח הזמין, אנשים מאמצים יותר ויותר עיצובים המבוססים על טכנולוגיית מיתוג ולא על טכנולוגיה לינארית. ספק הכוח המיתוג (SMPS) בעל הספק יעיל של מעל 90%. זה מאריך את חיי הסוללה של מערכות ניידות, מפחית את עלות החשמל לציוד גדול וחוסך מקום ששימש בעבר לרכיבי גוף קירור.

למעבר לטופולוגיה מחליפה יש חסרונות מסוימים, והעיצוב המורכב יותר שלה דורש מעצבים להיות בעלי כישורים מרובים. מהנדסי עיצוב חייבים להכיר את הטכנולוגיות האנלוגיות והדיגיטליות, את האלקטרומגנטיות ואת השליטה בלולאה סגורה. מתכננים של מעגלים מודפסים (PCB) חייבים להקדיש יותר תשומת לב להפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) כי צורות גל מיתוג בתדירות גבוהה עלולות לגרום לבעיות במעגלים אנלוגיים ו- RF רגישים.

לפני המצאת הטרנזיסטור הוצע הרעיון הבסיסי של המרת חשמל במצב מתג: לדוגמה, מערכת פריקה אינדוקטיבית מסוג קייט שהומצאה בשנת 1910, שהשתמשת בוויברטור מכני ליישום ממיר דחיפה flyback למערכת הצתה רכב..

רוב הטופולוגיות הסטנדרטיות קיימות כבר עשרות שנים, אך אין זה אומר שהמהנדסים אינם מתאימים עיצובים סטנדרטיים כך שיתאימו ליישומים חדשים, במיוחד לולאות שליטה. הארכיטקטורה הסטנדרטית משתמשת בתדר קבוע כדי לשמור על מתח יציאה קבוע על ידי הזנת חלק ממתח היציאה (בקרת מצב מתח) או שליטה בזרם המושרה (בקרת מצב זרם) בתנאי עומס שונים. מעצבים משתפרים כל הזמן כדי להתגבר על הפגמים בעיצוב הבסיסי.

איור 1 הוא תרשים בלוק של מערכת בקרת מצבי מתח בסיסי של לולאה סגורה (VMC). שלב ההספק מורכב ממתג הפעלה ומסנן פלט. בלוק הפיצוי כולל מחלק מתח יציאה, מגבר שגיאות, מתח ייחוס ורכיב פיצוי לולאה. מאפנן רוחב דופק (PWM) משתמש במשווה כדי להשוות את אות השגיאה לאות רמפה קבוע כדי לייצר רצף דופק פלט שהוא פרופורציונאלי לאות השגיאה.

למרות שלעומסים השונים של מערכת VMC יש כללי פלט קפדניים וקלים לסנכרן אותם עם השעון החיצוני, לארכיטקטורה הסטנדרטית יש כמה חסרונות. פיצוי הלולאה מפחית את רוחב הפס של לולאת הבקרה ומאט את התגובה החולפת; מגבר השגיאות מגביר את זרם ההפעלה ומפחית את היעילות.

תוכנית הבקרה הקבועה בזמן (COT) מספקת ביצועים חולפים טובים ללא פיצוי לולאה. בקרת ה- COT משתמשת במשווה כדי להשוות את מתח המוצא המווסת למתח הייחוס: כאשר מתח המוצא קטן ממתח ההתייחסות, נוצר דופק בזמן קבוע. במחזורי עבודה נמוכים, הדבר גורם לתדר המיתוג להיות גבוה מאוד, כך שבקר ה- COT ההסתגלותי יוצר זמן בזמן שמשתנה עם מתח הכניסה והיציאה, מה ששומר על התדר כמעט קבוע במצב יציב. הטופולוגיה של D-CAP של טקסס אינסטרומנט היא שיפור בהשוואה לגישת ה- COT ההסתגלותית: בקר D-CAP מוסיף מתח רמפה לכניסת המשווה המשוב, המשפר את ביצועי הרעושים על ידי הפחתת פס הרעש ביישום. איור 2 הוא השוואה של מערכות ה- COT ו- D-CAP.

איור 2: השוואה בין הטופולוגיה הסטנדרטית של COT (א) וטופולוגיה של D-CAP (ב) (מקור: טקסס אינסטרומנטס) ישנם מספר גרסאות שונות של הטופולוגיה של D-CAP לצרכים שונים. לדוגמה, בקר PWM חצי גשר TPS53632 משתמש בארכיטקטורת D-CAP+, המשמשת בעיקר ביישומים בעלי זרם גבוה ויכולה להניע רמות הספק של עד 1MHz בממירי POL של 48V עד 1V עם יעילות גבוהה עד 92%.

שלא כמו D-CAP, לולאת המשוב D-CAP+ מוסיפה רכיב הפרופורציונלי לזרם המושרה לבקרת ירידה מדויקת. מגבר השגיאות המוגדל משפר את הדיוק של עומס DC במגוון תנאי קו ועומס.

מתח המוצא של הבקר נקבע על ידי ה- DAC הפנימי. מחזור זה מתחיל כאשר המשוב הנוכחי מגיע לרמת מתח השגיאה. מתח שגיאה זה תואם את הפרש המתח המוגבר בין מתח נקודת ההגדרה DAC לבין מתח יציאת המשוב.

שלב 2: שפר את הביצועים בתנאי עומס קל

עבור מכשירים ניידים ולבישים, יש צורך לשפר את הביצועים בתנאי עומס קל כדי להאריך את חיי הסוללה. יישומים ניידים ולבישים רבים נמצאים במצב המתנה "שינה זמנית" או "שינה" רוב הזמן, מופעלים רק בתגובה לקלט משתמשים או מדידות תקופתיות, כך שצמצם את צריכת החשמל במצב המתנה. היא בראש סדר העדיפויות.

הטופולוגיה DCS-ControlTM (בקרה ישירה למעבר חלק למצב חיסכון באנרגיה) משלבת את היתרונות של שלוש תוכניות בקרה שונות (כלומר, מצב היסטריה, מצב מתח ומצב זרם) לשיפור הביצועים בתנאי עומס קל, במיוחד מעבר לאיר כאשר עוזב את מצב העומס הקל. טופולוגיה זו תומכת במצבי PWM לעומסים בינוניים וכבדים, וכן במצב חיסכון בחשמל (PSM) לעומסים קלים.

במהלך פעולת PWM המערכת פועלת בתדר המיתוג המדורג שלה על בסיס מתח הכניסה ושולטת על שינוי התדרים. אם זרם העומס יורד, הממיר עובר ל- PSM כדי לשמור על יעילות גבוהה עד שהוא יורד לעומס קל מאוד. ב- PSM, תדירות המיתוג יורדת באופן לינארי עם זרם העומס. שני המצבים נשלטים על ידי בלוק בקרה יחיד, כך שהמעבר מ- PWM ל- PSM הוא חלק ואינו משפיע על מתח היציאה.

איור 3 הוא תרשים בלוק של ה- DCS-ControlTM. לולאת הבקרה לוקחת מידע על השינוי במתח היציאה ומזינה אותו ישירות אל המשווה המהיר. המשווה קובע את תדירות המיתוג (כקבוע לתנאי הפעלה במצב יציב) ונותן מענה מיידי לשינויי עומס דינמי. לולאת משוב המתח מסדירה במדויק את עומס ה- DC. רשת הרגולציה המתוגמלת פנימית מאפשרת פעולה מהירה ויציבה עם רכיבים חיצוניים קטנים וקבלי ESR נמוכים.

איור 3: יישום הטופולוגיה של DCS-Control ™ בממיר TPS62130 (מקור: Texas Instruments)

ממיר הספק הסינכרוני TPS6213xA-Q1 מבוסס על הטופולוגיה DCS-ControlTM והוא מותאם ליישומי POL בצפיפות הספק גבוהה. תדר ההחלפה הטיפוסי של 2.5MHz מאפשר שימוש במשרנים קטנים ומספק תגובה חולפת מהירה ודיוק מתח יציאה גבוה. ה- TPS6213 פועל מטווח מתח כניסה של 3V עד 17V ויכול לספק עד 3A של זרם רציף בין 0.9V ל- 6V מתח יציאה.