Changamoto za Ubunifu wa Ugavi wa Umeme hukutanaje na Teknolojia za DC-DC: Hatua 3

2024 Mwandishi: John Day | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2024-01-30 12:52

Nitachambua jinsi changamoto ya usanifu wa umeme inakidhi na Teknolojia za DC-DC.

Waumbaji wa mfumo wa nguvu wanakabiliwa na shinikizo kutoka soko ili kutafuta njia za kutumia nguvu inayopatikana. Katika vifaa vya kubebeka, ufanisi wa hali ya juu huongeza maisha ya betri na huweka utendaji zaidi kwenye vifurushi vidogo. Katika seva na vituo vya msingi, mafanikio ya ufanisi yanaweza kuokoa moja kwa moja miundombinu (mifumo ya baridi) na gharama za uendeshaji (bili za umeme). Ili kukidhi mahitaji ya soko, wabuni wa mfumo wanaboresha michakato ya ubadilishaji wa nguvu katika maeneo anuwai, pamoja na topolojia zinazofaa zaidi, ubunifu wa vifurushi, na vifaa vipya vya semiconductor kulingana na kaboni ya silicon (SiC) na nitridi ya galliamu (GaN).

Hatua ya 1: Uboreshaji wa Ubadilishaji Topolojia ya Kubadilisha

Kuchukua faida kamili ya nguvu inayopatikana, watu wanazidi kupitisha miundo kulingana na teknolojia ya kugeuza badala ya teknolojia laini. Usambazaji wa umeme unaobadilisha (SMPS) una nguvu bora ya zaidi ya 90%. Hii inaongeza maisha ya betri ya mifumo inayoweza kubebeka, inapunguza gharama ya umeme kwa vifaa vikubwa, na inahifadhi nafasi iliyotumiwa hapo awali kwa vifaa vya kuzamisha joto.

Kubadili topolojia iliyobadilishwa kuna shida kadhaa, na muundo wake ngumu zaidi unahitaji wabunifu kuwa na ustadi anuwai. Wahandisi wa muundo lazima wajue na teknolojia ya analog na dijiti, elektromagnetiki, na udhibiti wa kitanzi kilichofungwa. Wabunifu wa bodi za mzunguko zilizochapishwa (PCBs) lazima wazingatie zaidi kuingiliwa kwa umeme (EMI) kwa sababu mabadiliko ya mawimbi mengi yanaweza kusababisha shida katika nyaya nyeti za analog na RF.

Kabla ya uvumbuzi wa transistor, dhana ya kimsingi ya ubadilishaji wa nguvu ya mfumo uliobadilishwa ilipendekezwa: kwa mfano, mfumo wa kutokwa kwa aina ya Kate uliobuniwa mnamo 1910, ambao ulitumia vibrator ya mitambo kutekeleza kibadilishaji cha kuongeza nguvu kwa mfumo wa kuwasha magari..

Matibabu mengi ya kawaida yamekuwepo kwa miongo kadhaa, lakini hiyo haimaanishi wahandisi hawabadilishi miundo ya kawaida ili kukidhi matumizi mapya, haswa matanzi ya kudhibiti. Usanifu wa kawaida hutumia masafa ya kudumu ili kudumisha voltage ya pato ya mara kwa mara kwa kulisha sehemu ya voltage ya pato (kudhibiti hali ya voltage) au kudhibiti sasa iliyosababishwa (udhibiti wa hali ya sasa) chini ya hali tofauti za mzigo. Waumbaji wanaboresha kila wakati kushinda mapungufu ya muundo wa kimsingi.

Kielelezo 1 ni mchoro wa block wa mfumo wa kimsingi wa kudhibiti hali ya kitanzi kilichofungwa (VMC). Hatua ya umeme ina swichi ya nguvu na kichujio cha pato. Kizuizi cha fidia ni pamoja na mgawanyiko wa voltage ya pato, amplifier ya makosa, voltage ya kumbukumbu, na sehemu ya fidia ya kitanzi. Moduli ya upana wa kunde (PWM) hutumia kilinganishi kulinganisha ishara ya kosa na ishara ya njia panda iliyosimamishwa ili kutoa mpangilio wa mpigo wa pato ambao ni sawa na ishara ya kosa.

Ingawa mizigo tofauti ya mfumo wa VMC ina sheria kali za pato na ni rahisi kusawazisha na saa ya nje, usanifu wa kawaida una shida kadhaa. Fidia ya kitanzi hupunguza upelekaji wa kitanzi cha kudhibiti na hupunguza mwitikio wa muda mfupi; amplifier ya makosa huongeza sasa ya uendeshaji na inapunguza ufanisi.

Mpango wa kudhibiti mara kwa mara kwa wakati (COT) hutoa utendaji mzuri wa muda mfupi bila fidia ya kitanzi. Udhibiti wa COT hutumia kilinganishi kulinganisha voltage iliyosimamiwa ya pato na voltage ya kumbukumbu: wakati voltage ya pato iko chini ya voltage ya kumbukumbu, mapigo ya wakati uliowekwa hutengenezwa. Kwa mizunguko ya ushuru wa chini, hii inasababisha mzunguko wa ubadilishaji kuwa wa juu sana, kwa hivyo mtawala wa COT anayehusika hutengeneza wakati unaotofautiana na pembejeo za pembejeo na pato, ambayo huweka mzunguko karibu kila wakati katika hali thabiti. Teknolojia ya D-CAP ya Texas Instrument ni uboreshaji juu ya njia inayofaa ya COT: mtawala wa D-CAP anaongeza voltage ya njia panda kwa pembejeo ya kulinganisha maoni, ambayo inaboresha utendaji wa jitter kwa kupunguza bendi ya kelele katika programu. Kielelezo 2 ni kulinganisha kwa mifumo ya COT na D-CAP.

Kielelezo 2: Kulinganisha topolojia ya kawaida ya COT (a) na topolojia ya D-CAP (b) (Chanzo: Vyombo vya Texas) Kuna anuwai anuwai ya topolojia ya D-CAP kwa mahitaji tofauti. Kwa mfano, mtawala wa PWM wa daraja-nusu la TPS53632 hutumia usanifu wa D-CAP +, ambayo hutumiwa kimsingi katika matumizi ya hali ya juu na inaweza kuendesha viwango vya nguvu hadi 1MHz katika 48V hadi 1V waongofu wa POL na ufanisi kama 92%.

Tofauti na D-CAP, kitanzi cha maoni cha D-CAP + kinaongeza sehemu ambayo ni sawa na ya sasa iliyosababishwa kwa udhibiti sahihi wa droop. Amplifier iliyoongezeka ya makosa inaboresha usahihi wa mzigo wa DC chini ya hali anuwai ya laini na mzigo.

Voltage ya pato la mtawala imewekwa na DAC ya ndani. Mzunguko huu huanza wakati maoni ya sasa yanafikia kiwango cha voltage ya makosa. Voltage ya kosa hii inalingana na tofauti ya kiwango cha juu kati ya voltage ya DAC iliyowekwa na voltage ya pato la maoni.

Hatua ya 2: Boresha Utendaji Chini ya Masharti ya Mzigo Mwepesi

Kwa vifaa vya kubebeka na kuvaa, kuna haja ya kuboresha utendaji chini ya hali ya mzigo mwepesi kupanua maisha ya betri. Matumizi mengi yanayoweza kubebeka na kuvaa ni katika hali ya kusubiri ya "nguvu ya muda mfupi" au "kulala" wakati mwingi, imeamilishwa tu kwa kujibu pembejeo la mtumiaji au vipimo vya mara kwa mara, kwa hivyo punguza matumizi ya nguvu katika hali ya kusubiri. Ni kipaumbele cha juu.

Mfumo wa DCS-Control TM (Udhibiti wa Moja kwa Moja hadi Mpito bila Ishara kwa Njia ya Kuokoa Nishati) unajumuisha faida za mifumo mitatu tofauti ya kudhibiti (yaani, hali ya hysteresis, hali ya voltage, na hali ya sasa) ili kuboresha utendaji chini ya hali ya mzigo mwepesi, haswa mpito kwenda Au wakati ukiacha hali ya mzigo mwepesi. Mada hii inasaidia njia za PWM kwa mizigo ya kati na nzito, na hali ya kuokoa nguvu (PSM) kwa mizigo nyepesi.

Wakati wa operesheni ya PWM, mfumo hufanya kazi kwa masafa ya kukadiriwa kwa kiwango kulingana na voltage ya uingizaji na inadhibiti mabadiliko ya masafa. Ikiwa mzigo wa sasa unapungua, kibadilishaji hubadilisha PSM ili kudumisha ufanisi mkubwa hadi itashuka kwa mzigo mwepesi sana. Kwa PSM, masafa ya kubadilisha hupungua kwa usawa na mzigo wa sasa. Njia zote zinadhibitiwa na kizuizi kimoja cha kudhibiti, kwa hivyo mabadiliko kutoka kwa PWM hadi PSM hayana mshono na hayaathiri voltage ya pato.

Kielelezo 3 ni mchoro wa block wa DCS-Control TM. Kitanzi cha kudhibiti kinachukua habari juu ya mabadiliko ya voltage ya pato na huilisha kwa moja kwa moja kurudi kwa kulinganisha haraka. Mlinganishi huweka masafa ya kubadilisha (kama mara kwa mara kwa hali ya utendaji wa hali thabiti) na hutoa jibu la haraka kwa mabadiliko ya mzigo wenye nguvu. Kitanzi cha maoni ya voltage kinasimamia kwa usahihi mzigo wa DC. Mtandao wa udhibiti wa fidia ya ndani huwezesha operesheni ya haraka na thabiti na vifaa vidogo vya nje na viboreshaji vya chini vya ESR.

Kielelezo 3: Utekelezaji wa topolojia ya DCS-Control TM katika TPS62130 buck converter (Chanzo: Texas Instruments)

TPS6213xA-Q1 kibadilishaji cha nguvu ya kubadilisha nguvu inategemea topolojia ya DCS-Control ™ na imeboreshwa kwa matumizi ya nguvu ya POL. Mzunguko wa kawaida wa 2.5MHz unaruhusu matumizi ya inductors ndogo na hutoa majibu ya haraka ya muda mfupi na usahihi wa kiwango cha juu cha pato. TPS6213 inafanya kazi kutoka kwa kiwango cha voltage ya pembejeo ya 3V hadi 17V na inaweza kutoa hadi 3A ya sasa inayoendelea kati ya voltages za 0.9V na 6V.