كيف تواجه تحديات تصميم مصدر الطاقة من خلال تقنيات DC-DC: 3 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:39

سأقوم بتحليل كيف يواجه تصميم مصدر الطاقة التحدي من قبل DC-DC Technologies.

يواجه مصممو أنظمة الطاقة ضغوطًا مستمرة من السوق لإيجاد طرق لتحقيق أقصى استفادة من الطاقة المتاحة. في الأجهزة المحمولة ، تعمل الكفاءة العالية على إطالة عمر البطارية وتضع المزيد من الوظائف في حزم أصغر. في الخوادم والمحطات الأساسية ، يمكن لمكاسب الكفاءة أن توفر بشكل مباشر البنية التحتية (أنظمة التبريد) وتكاليف التشغيل (فواتير الكهرباء). لتلبية متطلبات السوق ، يعمل مصممو الأنظمة على تحسين عمليات تحويل الطاقة في مجالات متعددة ، بما في ذلك طبولوجيا التحويل الأكثر كفاءة ، وابتكارات الحزمة ، وأجهزة أشباه الموصلات الجديدة القائمة على كربيد السيليكون (SiC) ونتريد الغاليوم (GaN).

الخطوة 1: تحسين تبديل طوبولوجيا المحول

للاستفادة الكاملة من الطاقة المتاحة ، يتبنى الناس بشكل متزايد تصميمات تعتمد على تقنية التحويل بدلاً من التكنولوجيا الخطية. مزود طاقة التحويل (SMPS) لديه طاقة فعالة تزيد عن 90٪. يعمل هذا على إطالة عمر بطارية الأنظمة المحمولة ، ويقلل من تكلفة الكهرباء للمعدات الكبيرة ، ويوفر المساحة المستخدمة سابقًا لمكونات المشتت الحراري.

التحول إلى الهيكل المحول له عيوب معينة ، ويتطلب تصميمه الأكثر تعقيدًا أن يتمتع المصممون بمهارات متعددة. يجب أن يكون مهندسو التصميم على دراية بالتقنيات التناظرية والرقمية والكهرومغناطيسية والتحكم في الحلقة المغلقة. يجب على مصممي لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) إيلاء المزيد من الاهتمام للتداخل الكهرومغناطيسي (EMI) لأن أشكال موجة تبديل التردد العالي يمكن أن تسبب مشاكل في الدوائر التناظرية و RF الحساسة.

قبل اختراع الترانزستور ، تم اقتراح المفهوم الأساسي لتحويل الطاقة في وضع التبديل: على سبيل المثال ، نظام التفريغ الحثي من نوع Kate الذي تم اختراعه في عام 1910 ، والذي استخدم هزازًا ميكانيكيًا لتنفيذ محول تعزيز flyback لنظام إشعال السيارات.

كانت معظم الهياكل القياسية موجودة منذ عقود ، لكن هذا لا يعني أن المهندسين لا يضبطون التصميمات القياسية لاستيعاب التطبيقات الجديدة ، وخاصة حلقات التحكم. تستخدم العمارة القياسية ترددًا ثابتًا للحفاظ على جهد خرج ثابت عن طريق تغذية الجزء الخلفي من جهد الخرج (التحكم في وضع الجهد) أو التحكم في التيار المستحث (التحكم في الوضع الحالي) في ظل ظروف تحميل مختلفة. يتحسن المصممون باستمرار للتغلب على عيوب التصميم الأساسي.

الشكل 1 عبارة عن مخطط كتلة لنظام أساسي للتحكم في وضع جهد الحلقة المغلقة (VMC). تتكون مرحلة الطاقة من مفتاح طاقة ومرشح إخراج. تشتمل كتلة التعويض على مقسم جهد الخرج ومضخم خطأ وجهد مرجعي ومكون تعويض حلقة. يستخدم مُعدِّل عرض النبضة (PWM) مقارنًا لمقارنة إشارة الخطأ بإشارة منحدر ثابت لإنتاج تسلسل نبضي ناتج يتناسب مع إشارة الخطأ.

على الرغم من أن الأحمال المختلفة لنظام VMC لها قواعد إخراج صارمة ويسهل مزامنتها مع الساعة الخارجية ، إلا أن البنية القياسية لها بعض العيوب. يقلل تعويض الحلقة من عرض النطاق الترددي لحلقة التحكم ويبطئ الاستجابة العابرة ؛ يزيد مضخم الخطأ من تيار التشغيل ويقلل من الكفاءة.

يوفر نظام التحكم الثابت في الوقت المحدد (COT) أداءً عابرًا جيدًا بدون تعويض الحلقة. يستخدم التحكم COT مقارنًا لمقارنة جهد الخرج المنظم بالجهد المرجعي: عندما يكون جهد الخرج أقل من الجهد المرجعي ، يتم إنشاء نبضة ثابتة في الوقت المحدد. في دورات التشغيل المنخفضة ، يتسبب هذا في أن يكون تردد التبديل مرتفعًا جدًا ، لذلك يولد جهاز التحكم COT التكيفي وقتًا يختلف باختلاف جهد الإدخال والإخراج ، مما يحافظ على التردد ثابتًا تقريبًا في حالة ثابتة. تعد طوبولوجيا D-CAP الخاصة بشركة Texas Instrument تحسينًا على نهج COT التكيفي: تضيف وحدة التحكم D-CAP جهدًا منحدرًا إلى مدخلات مقارنة التغذية الراجعة ، مما يحسن أداء الارتعاش عن طريق تقليل نطاق الضوضاء في التطبيق. الشكل 2 هو مقارنة بين أنظمة COT و D-CAP.

الشكل 2: مقارنة بين طوبولوجيا COT القياسية (أ) وطوبولوجيا D-CAP (ب) (المصدر: Texas Instruments) هناك العديد من المتغيرات المختلفة لطوبولوجيا D-CAP لتلبية الاحتياجات المختلفة. على سبيل المثال ، تستخدم وحدة التحكم PWM نصف الجسر TPS53632 بنية D-CAP + ، والتي تُستخدم بشكل أساسي في التطبيقات عالية التيار ويمكنها دفع مستويات طاقة تصل إلى 1 ميجاهرتز في محولات 48 فولت إلى 1 فولت بول بكفاءة تصل إلى 92٪.

على عكس D-CAP ، تضيف حلقة التغذية الراجعة D-CAP + مكونًا يتناسب مع التيار المستحث للتحكم الدقيق في التدلي. يعمل مضخم الخطأ المتزايد على تحسين دقة حمل التيار المباشر في ظل مجموعة متنوعة من ظروف الخط والحمل.

يتم ضبط جهد خرج وحدة التحكم بواسطة DAC الداخلي. تبدأ هذه الدورة عندما تصل التغذية الراجعة الحالية إلى مستوى جهد الخطأ. يتوافق جهد الخطأ هذا مع فرق الجهد المضخم بين جهد نقطة ضبط DAC والجهد الناتج عن التغذية المرتدة.

الخطوة 2: تحسين الأداء في ظل ظروف التحميل الخفيف

بالنسبة للأجهزة المحمولة والقابلة للارتداء ، هناك حاجة لتحسين الأداء في ظل ظروف التحميل الخفيف لإطالة عمر البطارية. توجد العديد من التطبيقات المحمولة والقابلة للارتداء في وضع الاستعداد "السكون المؤقت" أو وضع الاستعداد "السكون" منخفض الطاقة في معظم الأوقات ، ويتم تنشيطها فقط استجابة لإدخال المستخدم أو القياسات الدورية ، لذا قلل من استهلاك الطاقة في وضع الاستعداد. إنها الأولوية القصوى.

تجمع طوبولوجيا DCS-ControlTM (التحكم المباشر في الانتقال السلس إلى وضع توفير الطاقة) بين مزايا ثلاثة مخططات تحكم مختلفة (على سبيل المثال ، وضع التباطؤ ، ووضع الجهد ، والوضع الحالي) لتحسين الأداء في ظل ظروف الحمل الخفيف ، وخاصة الانتقال إلى أو عندما ترك حالة الحمل الخفيف. يدعم هذا الهيكل أوضاع PWM للأحمال المتوسطة والثقيلة ، بالإضافة إلى وضع توفير الطاقة (PSM) للأحمال الخفيفة.

أثناء تشغيل PWM ، يعمل النظام بتردد التحويل المقنن الخاص به بناءً على جهد الدخل ويتحكم في تغيير التردد. إذا انخفض تيار الحمل ، يتحول المحول إلى PSM للحفاظ على كفاءة عالية حتى ينخفض إلى حمولة خفيفة للغاية. في PSM ، يتناقص تردد التبديل خطيًا مع تيار الحمل. يتم التحكم في كلا الوضعين بواسطة كتلة تحكم واحدة ، وبالتالي فإن الانتقال من PWM إلى PSM يكون سلسًا ولا يؤثر على جهد الخرج.

الشكل 3 عبارة عن مخطط كتلة لـ DCS-ControlTM. تأخذ حلقة التحكم معلومات حول التغيير في جهد الخرج وتعيده مباشرة إلى المقارنة السريعة. يقوم المقارن بتعيين تردد التبديل (باعتباره ثابتًا لظروف التشغيل المستقرة) ويوفر استجابة فورية لتغييرات الحمل الديناميكي. حلقة التغذية الراجعة للجهد تنظم بدقة حمل التيار المستمر. تتيح شبكة التنظيم التي يتم تعويضها داخليًا التشغيل السريع والمستقر بمكونات خارجية صغيرة ومكثفات ESR منخفضة.

الشكل 3: تنفيذ طوبولوجيا DCS-ControlTM في محول باك TPS62130 (المصدر: Texas Instruments)

يعتمد محول طاقة التحويل المتزامن TPS6213xA-Q1 على طوبولوجيا DCS-ControlTM وقد تم تحسينه لتطبيقات POL ذات كثافة الطاقة العالية. يسمح تردد التبديل النموذجي 2.5 ميجاهرتز باستخدام محاثات صغيرة ويوفر استجابة عابرة سريعة ودقة عالية في الجهد الناتج. يعمل TPS6213 من نطاق جهد دخل من 3 فولت إلى 17 فولت ويمكنه توصيل ما يصل إلى 3 أمبير من التيار المستمر بين جهد خرج 0.9 فولت و 6 فولت.