Quvvat manbai dizaynidagi qiyinchiliklar DC-DC texnologiyalari bilan qanday mos keladi: 3 qadam

2024 Muallif: John Day | [email protected]. Oxirgi o'zgartirilgan: 2024-01-30 13:25

Men DC-DC Technologies tomonidan elektr ta'minoti muammosiga qanday javob berishini tahlil qilaman.

Quvvat tizimi dizaynerlari mavjud quvvatlardan maksimal darajada foydalanish yo'llarini izlash uchun bozorning doimiy bosimiga duch kelishmoqda. Portativ qurilmalarda yuqori samaradorlik batareyaning ishlash muddatini uzaytiradi va kichikroq paketlarga ko'proq funksionallikni beradi. Serverlar va tayanch stantsiyalarda samaradorlikni oshirish infratuzilmani (sovutish tizimlari) va operatsion xarajatlarni (elektr energiyasi uchun to'lovlarni) to'g'ridan -to'g'ri tejash imkonini beradi. Bozor talablarini qondirish uchun tizim dizaynerlari bir nechta sohalarda quvvatni konvertatsiya qilish jarayonlarini takomillashtirmoqdalar, jumladan, yanada samarali kommutatsiya topologiyalari, paketli yangiliklar va kremniy karbid (SiC) va galyum nitrid (GaN) ga asoslangan yangi yarimo'tkazgichli qurilmalar.

1 -qadam: Konverter konvertatsiya topologiyasini takomillashtirish

Mavjud kuchdan to'liq foydalanish uchun odamlar tobora ko'proq chiziqli texnologiyadan ko'ra kommutatsiya texnologiyasiga asoslangan dizaynlarni qabul qilmoqdalar. Kommutatsion quvvat manbai (SMPS) 90%dan ortiq samarali quvvatga ega. Bu portativ tizimlarning batareyaning ishlash muddatini uzaytiradi, katta uskunalar uchun elektr narxini pasaytiradi va ilgari issiqlik qabul qilgich komponentlari uchun ishlatilgan joyni tejaydi.

Kommutatsiya qilingan topologiyaga o'tish ma'lum kamchiliklarga ega va uning murakkab dizayni dizaynerlardan bir nechta ko'nikmalarga ega bo'lishni talab qiladi. Dizayn muhandislari analog va raqamli texnologiyalar, elektromagnitika va yopiq boshqaruvni bilishi kerak. Bosilgan elektron platalar (PCB) dizaynerlari elektromagnit shovqinlarga (EMI) ko'proq e'tibor qaratishlari kerak, chunki to'lqinlarning yuqori chastotali almashinuvi sezgir analog va chastotali davrlarda muammolarga olib kelishi mumkin.

Transistor ixtiro qilinishidan oldin, quvvatni konvertatsiya qilishning asosiy kontseptsiyasi taklif qilingan: masalan, 1910 yilda ixtiro qilingan Kate tipidagi induktiv deşarj tizimi, u avtomobilni yoqish tizimi uchun tezlikni ko'taruvchi konvertorni ishga tushirish uchun mexanik vibratordan foydalangan..

Ko'pgina standart topologiyalar o'nlab yillar davomida mavjud bo'lgan, lekin bu muhandislar yangi dizaynlarni, ayniqsa, boshqaruv halqalarini joylashtirish uchun standart dizaynlarni moslashtirmaydi degani emas. Standart arxitektura har xil yuk sharoitida chiqish voltajining bir qismini qaytarish (kuchlanish rejimini boshqarish) yoki induktsiya qilingan tokni boshqarish (joriy rejimni boshqarish) orqali doimiy chiqish voltajini ushlab turish uchun sobit chastotadan foydalanadi. Dizaynerlar asosiy dizayndagi kamchiliklarni bartaraf etish uchun doimo takomillashib boradilar.

1 -rasm - asosiy yopiq pastadir kuchlanish rejimini boshqarish (VMC) tizimining blok diagrammasi. Quvvat bosqichi quvvat tugmasi va chiqish filtridan iborat. Kompensatsiya bloki chiqish voltajini ajratuvchi, xato kuchaytirgich, mos yozuvlar zo'riqishida va pastadir kompensatsiya komponentini o'z ichiga oladi. Puls kengligi modulyatori (PWM) xato signaliga mutanosib chiqish pulsining ketma -ketligini ishlab chiqarish uchun xato signalini sobit rampa signaliga solishtirish uchun qiyoslagichdan foydalanadi.

VMC tizimining turli yuklamalari qat'iy chiqish qoidalariga ega va tashqi soat bilan sinxronlashtirish oson bo'lsa -da, standart arxitekturada ba'zi kamchiliklar mavjud. Loop kompensatsiyasi boshqaruv halqasining tarmoqli kengligini pasaytiradi va vaqtinchalik javobni sekinlashtiradi; xato kuchaytirgichi ish oqimini oshiradi va samaradorlikni pasaytiradi.

O'z vaqtida (COT) nazorat qilish sxemasi pastadir kompensatsiyasiz yaxshi vaqtinchalik ishlashni ta'minlaydi. COT boshqaruvi taqqoslagichni regulyatsiya qilingan chiqish voltajini mos yozuvlar kuchlanishiga solishtirish uchun ishlatadi: chiqish voltaji mos yozuvlar kuchlanishidan past bo'lsa, o'z vaqtida sobit puls hosil bo'ladi. Kam ishlaydigan davrlarda bu kommutatsiya chastotasining juda yuqori bo'lishiga olib keladi, shuning uchun moslashuvchan COT boshqaruvchisi kirish va chiqish voltajiga qarab o'zgarib turadigan o'z vaqtida ishlab chiqaradi, bu esa chastotani deyarli barqaror holatda ushlab turadi. Texas Instrument D-CAP topologiyasi moslashuvchan COT yondashuvini takomillashtirishdir: D-CAP tekshirgichi teskari aloqa taqqoslagichiga rampa kuchlanishini qo'shadi, bu esa ilovadagi shovqin diapazonini kamaytirish orqali chayqalish ishini yaxshilaydi. 2-rasmda COT va D-CAP tizimlarining taqqoslanishi ko'rsatilgan.

2-rasm: Standart COT topologiyasi (a) va D-CAP topologiyasini (b) solishtirish (Manba: Texas Instruments) D-CAP topologiyasining turli ehtiyojlar uchun bir nechta variantlari mavjud. Masalan, TPS53632 yarim ko'prikli PWM boshqaruvchisi D-CAP+ arxitekturasidan foydalanadi, u asosan yuqori oqimli ilovalarda ishlatiladi va samaradorligi 92%gacha bo'lgan 48V dan 1V gacha bo'lgan POL konvertorlarida 1 MGts gacha quvvat darajasini boshqarishi mumkin.

D-CAP-dan farqli o'laroq, D-CAP+ teskari aloqa tizimi aniq tushishni boshqarish uchun induktsiya qilingan oqimga mutanosib komponentni qo'shadi. Kattalashtirilgan xato kuchaytirgichi har xil chiziq va yuk sharoitida doimiy yukning aniqligini yaxshilaydi.

Nazoratchining chiqish kuchlanishi ichki DAC tomonidan o'rnatiladi. Bu tsikl joriy teskari aloqa xato kuchlanish darajasiga yetganda boshlanadi. Bu xato voltaji DAC belgilangan nuqta kuchlanishi va teskari aloqa chiqish voltaji o'rtasidagi kuchaygan kuchlanish farqiga to'g'ri keladi.

2 -qadam: Yengil yuk sharoitida ishlashni yaxshilang

Portativ va taqiladigan qurilmalar uchun batareyaning ishlash muddatini uzaytirish uchun engil yuklanish sharoitida ishlashni yaxshilash kerak. Ko'pgina ko'chma va taqiladigan ilovalar kam quvvatli "vaqtincha uyqu" yoki "uyqu" kutish holatida bo'ladi, faqat foydalanuvchilarning kiritishi yoki davriy o'lchovlariga javoban yoqiladi, shuning uchun kutish rejimida quvvat sarfini kamaytiring. Bu eng ustuvor vazifadir.

DCS-ControlTM (Energiyani tejash rejimiga uzluksiz o'tishga to'g'ridan-to'g'ri boshqarish) topologiyasi engil yuk sharoitida ishlashni yaxshilash uchun uch xil boshqaruv sxemasining afzalliklarini (masalan, histerezis rejimi, kuchlanish rejimi va tok rejimi) birlashtiradi, ayniqsa o'tish yoki qachon engil yuk holatini tark etish. Bu topologiya o'rta va og'ir yuklar uchun PWM rejimlarini, engil yuklar uchun quvvatni tejash rejimini (PSM) qo'llab -quvvatlaydi.

PWM ishlashi paytida tizim kirish voltajiga asoslangan nominal o'tish chastotasida ishlaydi va chastotaning o'zgarishini nazorat qiladi. Agar yuk oqimi kamaysa, konvertor PSM ga o'tadi va u juda engil yuk tushguncha yuqori samaradorlikni saqlaydi. PSMda kommutatsiya chastotasi yuk oqimi bilan chiziqli ravishda kamayadi. Ikkala rejim ham bitta boshqaruv bloki tomonidan boshqariladi, shuning uchun PWMdan PSMga o'tish uzluksiz va chiqish voltajiga ta'sir qilmaydi.

3-rasm DCS-ControlTM blok-diagrammasi. Tekshirish davri chiqish voltajining o'zgarishi haqidagi ma'lumotlarni oladi va uni to'g'ridan -to'g'ri tezkor taqqoslagichga qaytaradi. Taqqoslagich kommutatsiya chastotasini o'rnatadi (doimiy ish sharoitlari uchun doimiy sifatida) va yukning dinamik o'zgarishiga zudlik bilan javob beradi. Voltaj teskari aloqa aylanasi shahar yukini aniq tartibga soladi. Ichki kompensatsiyalangan tartibga solish tarmog'i kichik tashqi komponentlar va past ESR kondansatkichlari bilan tez va barqaror ishlash imkonini beradi.

3-rasm: TPS62130 konvertorida DCS-ControlTM topologiyasini amalga oshirish (Manba: Texas Instruments)

TPS6213xA-Q1 sinxron kommutatsion quvvat konvertori DCS-Control ™ topologiyasiga asoslangan va yuqori quvvatli POL ilovalari uchun optimallashtirilgan. Odatda 2,5 MGts kommutatsiya chastotasi kichik induktorlardan foydalanishga imkon beradi va tez o'tuvchi javob va yuqori chiqish kuchlanish aniqligini ta'minlaydi. TPS6213 3V dan 17V gacha bo'lgan kirish voltaj diapazonidan ishlaydi va 0,9 V dan 6 V gacha bo'lgan chiqish voltajlari orasida 3A gacha uzluksiz tokni etkazib berishi mumkin.