Hoe voldoen de uitdagingen van het ontwerp van de voeding door DC-DC Technologies: 3 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

Ik zal analyseren hoe DC-DC Technologies de uitdaging van het ontwerp van de voeding aangaat.

Ontwerpers van energiesystemen staan onder constante druk van de markt om manieren te vinden om het beschikbare vermogen optimaal te benutten. In draagbare apparaten verlengt een hogere efficiëntie de levensduur van de batterij en brengt meer functionaliteit in kleinere pakketten. In servers en basisstations kunnen efficiëntiewinsten direct worden bespaard op infrastructuur (koelsystemen) en bedrijfskosten (elektriciteitsrekeningen). Om aan de marktvraag te voldoen, verbeteren systeemontwerpers de stroomconversieprocessen op meerdere gebieden, waaronder efficiëntere schakeltopologieën, pakketinnovaties en nieuwe halfgeleiderapparaten op basis van siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN).

Stap 1: Verbetering van de Switching Converter-topologie

Om het beschikbare vermogen ten volle te benutten, kiezen mensen steeds vaker voor ontwerpen op basis van schakeltechnologie in plaats van lineaire technologie. De schakelende voeding (SMPS) heeft een effectief vermogen van meer dan 90%. Dit verlengt de levensduur van de batterij van draagbare systemen, verlaagt de elektriciteitskosten voor grote apparatuur en bespaart ruimte die voorheen werd gebruikt voor componenten van het koellichaam.

Overschakelen naar een geschakelde topologie heeft bepaalde nadelen en het complexere ontwerp vereist dat ontwerpers meerdere vaardigheden hebben. Ontwerpingenieurs moeten bekend zijn met analoge en digitale technologieën, elektromagnetisme en closed-loop-besturing. Ontwerpers van printplaten (PCB's) moeten meer aandacht besteden aan elektromagnetische interferentie (EMI) omdat hoogfrequente schakelgolfvormen problemen kunnen veroorzaken in gevoelige analoge en RF-circuits.

Voorafgaand aan de uitvinding van de transistor werd het basisconcept van geschakelde vermogensconversie voorgesteld: bijvoorbeeld het Kate-type inductieve ontladingssysteem uitgevonden in 1910, dat een mechanische vibrator gebruikte om een flyback-boostconverter te implementeren voor een auto-ontstekingssysteem.

De meeste standaardtopologieën bestaan al tientallen jaren, maar dat betekent niet dat ingenieurs de standaardontwerpen niet aanpassen aan nieuwe toepassingen, met name regelkringen. De standaardarchitectuur gebruikt een vaste frequentie om een constante uitgangsspanning te handhaven door een deel van de uitgangsspanning terug te koppelen (spanningsmodusregeling) of de geïnduceerde stroom te regelen (stroommodusregeling) onder verschillende belastingsomstandigheden. Ontwerpers verbeteren voortdurend om de gebreken van het basisontwerp te verhelpen.

Figuur 1 is een blokschema van een basis gesloten-lus spanningsmodus controle (VMC) systeem. De vermogenstrap bestaat uit een aan/uit-schakelaar en een uitgangsfilter. Het compensatieblok omvat een uitgangsspanningsdeler, een foutversterker, een referentiespanning en een luscompensatiecomponent. Een pulsbreedtemodulator (PWM) gebruikt een comparator om het foutsignaal te vergelijken met een vast hellingssignaal om een uitgangspulssequentie te produceren die evenredig is met het foutsignaal.

Hoewel de verschillende belastingen van het VMC-systeem strikte uitvoerregels hebben en gemakkelijk te synchroniseren zijn met de externe klok, heeft de standaardarchitectuur enkele nadelen. Luscompensatie vermindert de bandbreedte van de regellus en vertraagt de transiënte respons; de foutversterker verhoogt de bedrijfsstroom en vermindert de efficiëntie.

Het constant aan-tijd (COT) regelschema zorgt voor goede transiënte prestaties zonder luscompensatie. De COT-regeling gebruikt een comparator om de gereguleerde uitgangsspanning te vergelijken met de referentiespanning: wanneer de uitgangsspanning lager is dan de referentiespanning, wordt een vaste aan-tijdpuls gegenereerd. Bij lage duty-cycles zorgt dit ervoor dat de schakelfrequentie erg hoog is, dus de adaptieve COT-controller genereert een aan-tijd die varieert met de ingangs- en uitgangsspanningen, waardoor de frequentie bijna constant blijft in een stabiele toestand. De D-CAP-topologie van Texas Instrument is een verbetering ten opzichte van de adaptieve COT-benadering: de D-CAP-controller voegt een hellingsspanning toe aan de feedbackcomparatoringang, wat de jitterprestaties verbetert door de ruisband in de toepassing te verminderen. Figuur 2 is een vergelijking van de COT- en D-CAP-systemen.

Figuur 2: Vergelijking van standaard COT-topologie (a) en D-CAP-topologie (b) (Bron: Texas Instruments) Er zijn verschillende varianten van de D-CAP-topologie voor verschillende behoeften. De TPS53632 half-bridge PWM-controller maakt bijvoorbeeld gebruik van de D-CAP+-architectuur, die voornamelijk wordt gebruikt in toepassingen met hoge stromen en vermogensniveaus tot 1 MHz kan aansturen in 48V naar 1V POL-converters met een efficiëntie tot wel 92%.

In tegenstelling tot D-CAP voegt de D-CAP+ feedbacklus een component toe die evenredig is met de geïnduceerde stroom voor nauwkeurige droop-controle. De verhoogde foutversterker verbetert de nauwkeurigheid van de DC-belasting onder verschillende lijn- en belastingsomstandigheden.

De uitgangsspanning van de controller wordt ingesteld door de interne DAC. Deze cyclus begint wanneer de stroomterugkoppeling het foutspanningsniveau bereikt. Deze foutspanning komt overeen met het versterkte spanningsverschil tussen de DAC-setpointspanning en de feedback-uitgangsspanning.

Stap 2: Verbeter de prestaties onder lichte belasting

Voor draagbare en draagbare apparaten is het nodig om de prestaties onder lichte belasting te verbeteren om de levensduur van de batterij te verlengen. Veel draagbare en draagbare toepassingen bevinden zich meestal in een "tijdelijke slaap"- of "slaap"-stand-bymodus met laag vermogen, die alleen wordt geactiveerd als reactie op gebruikersinvoer of periodieke metingen, dus minimaliseer het stroomverbruik in de stand-bymodus. Het heeft de hoogste prioriteit.

De DCS-ControlTM-topologie (Direct Control to Seamless Transition to Energy Saver Mode) combineert de voordelen van drie verschillende regelschema's (dwz hysteresismodus, spanningsmodus en stroommodus) om de prestaties te verbeteren onder lichte belasting, met name de overgang naar Of wanneer het verlaten van de lichte belastingstoestand. Deze topologie ondersteunt PWM-modi voor middelzware en zware belastingen, evenals de energiebesparende modus (PSM) voor lichte belastingen.

Tijdens PWM-werking werkt het systeem met de nominale schakelfrequentie op basis van de ingangsspanning en regelt het de frequentieverandering. Als de belastingsstroom afneemt, schakelt de omvormer over naar de PSM om een hoog rendement te behouden totdat het daalt tot een zeer lichte belasting. Bij PSM neemt de schakelfrequentie lineair af met de belastingsstroom. Beide modi worden bestuurd door een enkel besturingsblok, dus de overgang van PWM naar PSM is naadloos en heeft geen invloed op de uitgangsspanning.

Figuur 3 is een blokschema van de DCS-ControlTM. De regellus neemt informatie over de verandering in uitgangsspanning en voert deze direct terug naar de snelle comparator. De comparator stelt de schakelfrequentie in (als een constante voor stationaire bedrijfsomstandigheden) en biedt een onmiddellijke reactie op dynamische belastingveranderingen. De spanningsterugkoppeling regelt nauwkeurig de DC-belasting. Het intern gecompenseerde regelnetwerk maakt een snelle en stabiele werking mogelijk met kleine externe componenten en lage ESR-condensatoren.

Afbeelding 3: Implementatie van de DCS-ControlTM-topologie in de TPS62130 buck-converter (Bron: Texas Instruments)

De TPS6213xA-Q1 synchrone stroomomvormer is gebaseerd op de DCS-ControlTM-topologie en is geoptimaliseerd voor POL-toepassingen met een hoge vermogensdichtheid. De typische schakelfrequentie van 2,5 MHz maakt het gebruik van kleine inductoren mogelijk en zorgt voor een snelle transiënte respons en een hoge nauwkeurigheid van de uitgangsspanning. De TPS6213 werkt met een ingangsspanningsbereik van 3V tot 17V en kan tot 3A continue stroom leveren tussen 0,9V en 6V uitgangsspanningen.