Цахилгаан хангамжийн дизайны сорилтууд DC-DC технологид хэрхэн нийцдэг вэ: 3 алхам

2024 Зохиолч: John Day | [email protected]. Хамгийн сүүлд өөрчлөгдсөн: 2024-01-30 11:03

Би DC-DC Technologies-ийн хүчдэлийн хангамжийн дизайн хэрхэн хангаж байгааг шинжлэх болно.

Эрчим хүчний системийг зохион бүтээгчид бэлэн байгаа эрчим хүчийг хамгийн сайн ашиглах арга замыг хайж олохын тулд зах зээлийн байнгын дарамттай тулгардаг. Зөөврийн төхөөрөмжүүдийн хувьд илүү өндөр үр ашиг нь батерейны ашиглалтын хугацааг уртасгаж, илүү жижиг функцуудыг жижиг багцуудад оруулдаг. Серверүүд болон үндсэн станцуудад үр ашгийг дээшлүүлэх нь дэд бүтэц (хөргөлтийн систем) болон ашиглалтын зардлыг (цахилгааны төлбөр) шууд хэмнэх боломжтой юм. Зах зээлийн эрэлт хэрэгцээг хангахын тулд системийн дизайнерууд илүү үр ашигтай шилжих топологи, багцын шинэчлэл, цахиурын карбид (SiC), галлий нитрид (GaN) дээр суурилсан хагас дамжуулагч төхөөрөмж гэх мэт олон чиглэлээр эрчим хүчний хувиргалтын процессыг сайжруулж байна.

Алхам 1: Шилжүүлэгч хөрвүүлэгчийн топологийг сайжруулах

Байгаа хүчийг бүрэн ашиглахын тулд хүмүүс шугаман технологид бус шилжих технологид суурилсан загварыг улам бүр нэвтрүүлж байна. Шилжүүлэгч цахилгаан хангамж (SMPS) нь 90%-иас дээш үр дүнтэй хүч чадалтай. Энэ нь зөөврийн системийн батерейны ашиглалтын хугацааг уртасгаж, том тоног төхөөрөмжийн цахилгааны зардлыг бууруулж, өмнө нь дулаан шингээгч эд ангиудад ашигладаг орон зайг хэмнэдэг.

Шилжүүлсэн топологид шилжих нь тодорхой сул талуудтай бөгөөд илүү төвөгтэй загвар нь дизайнеруудаас олон ур чадвар шаарддаг. Дизайн инженерүүд аналог ба дижитал технологи, цахилгаан соронзон, хаалттай хүрдний хяналтыг мэддэг байх ёстой. Хэвлэмэл хэлхээний самбар (ПХБ) зохион бүтээгчид цахилгаан соронзон хөндлөнгийн оролцоонд илүү их анхаарал хандуулах ёстой, учир нь өндөр давтамжийн шилжих долгионы хэлбэр нь мэдрэмтгий аналог болон RF хэлхээнд асуудал үүсгэдэг.

Транзисторыг зохион бүтээхээс өмнө цахилгаан эрчим хүчийг солих горимын үндсэн ойлголтыг санал болгосон: жишээлбэл, 1910 онд зохион бүтээсэн Кейт маягийн индуктив цэнэглэх системийг автомашины гал асаах системд зориулагдсан нисдэг тэрэг хувиргагчийг ашиглахын тулд механик вибраторыг ашигласан болно..

Ихэнх стандарт топологи нь хэдэн арван жилийн туршид бий болсон боловч энэ нь инженерүүд шинэ загвар, ялангуяа хяналтын гогцоонд нийцүүлэхийн тулд стандарт загварыг тохируулдаггүй гэсэн үг биш юм. Стандарт архитектур нь гаралтын хүчдэлийн нэг хэсгийг тэжээх (хүчдэлийн горимын хяналт) эсвэл өөр өөр ачааллын нөхцөлд өдөөгдсөн гүйдлийг (одоогийн горимын хяналт) хянах замаар тогтмол гаралтын хүчдэлийг хадгалахын тулд тогтмол давтамжийг ашигладаг. Загвар зохион бүтээгчид үндсэн дизайны алдааг арилгахын тулд байнга сайжруулж байдаг.

1 -р зураг нь үндсэн хаалттай хүрдний хүчдэлийн горимын хяналтын (VMC) системийн блок диаграм юм. Цахилгаан шат нь цахилгаан унтраалга ба гаралтын шүүлтүүрээс бүрдэнэ. Нөхөн олговрын блок нь гаралтын хүчдэл хуваагч, алдааны өсгөгч, лавлах хүчдэл, давталтын нөхөн олговрын бүрэлдэхүүн хэсгээс бүрдэнэ. Импульсийн өргөн модулятор (PWM) нь алдааны дохиог пропорциональ гаралтын импульсийн дарааллыг гаргахын тулд алдааны дохиог тогтмол налуу дохиотой харьцуулахын тулд харьцуулагч ашигладаг.

VMC системийн янз бүрийн ачаалал нь хатуу гаралтын дүрэмтэй бөгөөд гадаад цагтай синхрончлоход хялбар боловч стандарт архитектур нь зарим сул талуудтай байдаг. Loop нөхөн олговор нь хяналтын давталтын зурвасын өргөнийг бууруулж, түр зуурын хариу урвалыг удаашруулдаг; алдааны өсгөгч нь ажлын гүйдлийг нэмэгдүүлж, үр ашгийг бууруулдаг.

Тогтмол (COT) хяналтын схем нь давталтын нөхөн олговоргүйгээр түр зуурын сайн гүйцэтгэлийг хангадаг. COT хяналт нь зохицуулагч гаралтын хүчдэлийг жишиг хүчдэлтэй харьцуулахын тулд харьцуулагч ашигладаг: гаралтын хүчдэл нь жишиг хүчдэлээс бага байх үед тогтмол импульс үүснэ. Бага ачааллын мөчлөгийн үед энэ нь шилжих давтамжийг маш өндөр болгодог тул дасан зохицох COT хянагч нь оролт, гаралтын хүчдэлээс хамаарч цаг хугацаанд нь гаргадаг бөгөөд энэ нь давтамжийг тогтвортой байдалд байлгадаг. Texas Instrument-ийн D-CAP топологи нь COT-ийн дасан зохицох арга барилыг сайжруулсан явдал юм: D-CAP хянагч нь санал хүсэлтийн харьцуулагчийн оролтод налуу хүчдэл нэмж өгдөг бөгөөд энэ нь програм дахь дуу чимээний зурвасыг багасгах замаар жийргэвчний ажиллагааг сайжруулдаг. Зураг 2 нь COT ба D-CAP системийн харьцуулалт юм.

Зураг 2: Стандарт COT топологи (a) ба D-CAP топологийн харьцуулалт (b) (Эх сурвалж: Texas Instruments) Өөр өөр хэрэгцээнд зориулагдсан D-CAP топологийн хэд хэдэн өөр хувилбар байдаг. Жишээлбэл, TPS53632 хагас гүүр PWM хянагч нь D-CAP+ архитектурыг ашигладаг бөгөөд энэ нь голчлон өндөр гүйдлийн хэрэглээнд ашиглагддаг бөгөөд хүчдэлийн түвшинг 48 В-оос 1 В хүртэлх POL хувиргагчаар 1 МГц хүртэлх хүчдэлийг 92%хүртэл өндөр үр ашигтайгаар удирдах боломжтой.

D-CAP-ээс ялгаатай нь D-CAP+ эргэх холбоо нь уналтыг нарийн хянах зорилгоор өдөөгдсөн гүйдэлтэй пропорциональ бүрэлдэхүүн хэсгийг нэмж өгдөг. Алдаа өсгөгч нэмэгдсэн нь янз бүрийн шугам, ачааллын нөхцөлд тогтмол гүйдлийн ачааллын нарийвчлалыг сайжруулдаг.

Хянагчийн гаралтын хүчдэлийг дотоод DAC тохируулдаг. Энэ мөчлөг нь одоогийн санал хүсэлт нь алдааны хүчдэлийн түвшинд хүрэх үед эхэлдэг. Энэ алдааны хүчдэл нь DAC -ийн тогтоосон цэгийн хүчдэл ба эргэлтийн гаралтын хүчдэлийн хоорондох хүчдэлийн зөрүүтэй тохирч байна.

Алхам 2: Хөнгөн ачааллын нөхцөлд гүйцэтгэлийг сайжруулах

Зөөврийн болон элэгддэг төхөөрөмжийн хувьд батерейны ашиглалтын хугацааг уртасгахын тулд хөнгөн ачааллын нөхцөлд гүйцэтгэлийг сайжруулах шаардлагатай байна. Ихэнх зөөврийн болон элэгддэг аппликейшнүүд нь ихэвчлэн "түр зуурын унтах" эсвэл "унтах" горимд ажилладаг бөгөөд зөвхөн хэрэглэгчийн оролт эсвэл үечилсэн хэмжилтийн хариуд идэвхждэг тул зогсолтын горимд цахилгаан зарцуулалтыг бууруулдаг. Энэ бол нэн тэргүүний зорилт юм.

DCS-ControlTM (Эрчим хүч хэмнэх горимд шууд шилжих шууд хяналт) топологи нь хөнгөн ачааллын нөхцөлд гүйцэтгэлийг сайжруулахын тулд гурван өөр хяналтын схемийн давуу талыг (өөрөөр хэлбэл гистерезис горим, хүчдэлийн горим, одоогийн горим) хослуулдаг. хөнгөн ачааллын төлөвийг орхих. Энэхүү топологи нь дунд болон хүнд даацын ХОУХШ -ийн горимыг, мөн хөнгөн ачааллын хувьд цахилгаан хэмнэх горимыг (PSM) дэмждэг.

ХОУХ -ны ажиллагааны үед систем нь оролтын хүчдэл дээр үндэслэн нэрлэсэн шилжих давтамж дээр ажиллаж, давтамжийн өөрчлөлтийг хянадаг. Хэрэв ачааллын гүйдэл буурвал хөрвүүлэгч PSM рүү шилжиж, маш бага ачаалал хүртэл унтрах хүртэл өндөр үр ашигтай ажиллах болно. PSM дээр шилжих давтамж нь ачааллын гүйдлийн дагуу шугаман буурдаг. Хоёр горим хоёулаа нэг хяналтын блокоор хянагддаг тул ХБХ -ээс PSM руу шилжих нь тасралтгүй бөгөөд гаралтын хүчдэлд нөлөөлдөггүй.

Зураг 3 нь DCS-ControlTM-ийн блок диаграм юм. Хяналтын давталт нь гаралтын хүчдэлийн өөрчлөлтийн талаархи мэдээллийг авч, хурдан харьцуулагч руу шууд дамжуулдаг. Харьцуулагч нь шилжих давтамжийг (тогтвортой төлөвт ажиллах нөхцлийн хувьд тогтмол байдлаар) тогтоож, ачааллын динамик өөрчлөлтөд шууд хариу өгөх боломжийг олгодог. Хүчдэлийн эргэх холбоо нь тогтмол гүйдлийн ачааллыг зөв зохицуулдаг. Дотоод нөхөн олговрын зохицуулалтын сүлжээ нь жижиг гадны бүрэлдэхүүн хэсгүүд, бага ESR конденсаторуудтай хурдан, тогтвортой ажиллах боломжийг олгодог.

Зураг 3: TPS62130 Бак хөрвүүлэгч дэх DCS-ControlTM топологийн хэрэгжилт (Эх сурвалж: Texas Instruments)

TPS6213xA-Q1 синхрон сэлгэн залгах цахилгаан хөрвүүлэгч нь DCS-ControlTM топологи дээр суурилсан бөгөөд өндөр чадлын нягтралтай POL програмуудад оновчтой болсон. Ердийн 2.5MHz сэлгэн залгах давтамж нь жижиг индуктор ашиглах боломжийг олгодог бөгөөд түр зуурын хариу үйлдэл, гаралтын хүчдэлийн өндөр нарийвчлалыг хангадаг. TPS6213 нь 3V -аас 17V хүртэлх оролтын хүчдэлээс ажилладаг бөгөөд 0.9V ба 6V гаралтын хүчдэлийн хооронд 3А хүртэл тасралтгүй гүйдэл дамжуулах боломжтой.