Làm thế nào để đáp ứng các thách thức của thiết kế cung cấp điện bằng công nghệ DC-DC: 3 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:33

Tôi sẽ phân tích làm thế nào để đáp ứng thách thức thiết kế cung cấp điện của DC-DC Technologies.

Các nhà thiết kế hệ thống điện đang phải đối mặt với áp lực liên tục từ thị trường để tìm cách tận dụng tối đa nguồn điện sẵn có. Trong các thiết bị di động, hiệu suất cao hơn sẽ kéo dài tuổi thọ pin và đưa nhiều chức năng hơn vào các gói nhỏ hơn. Trong các máy chủ và trạm gốc, hiệu suất đạt được có thể tiết kiệm trực tiếp cơ sở hạ tầng (hệ thống làm mát) và chi phí vận hành (hóa đơn tiền điện). Để đáp ứng nhu cầu của thị trường, các nhà thiết kế hệ thống đang cải thiện quy trình chuyển đổi điện năng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm cấu trúc liên kết chuyển mạch hiệu quả hơn, đổi mới gói và các thiết bị bán dẫn mới dựa trên silicon cacbua (SiC) và gali nitride (GaN).

Bước 1: Cải thiện cấu trúc liên kết chuyển đổi chuyển đổi

Để tận dụng hết sức mạnh sẵn có, người ta ngày càng áp dụng các thiết kế dựa trên công nghệ chuyển mạch hơn là công nghệ tuyến tính. Bộ nguồn chuyển mạch (SMPS) có công suất hiệu dụng trên 90%. Điều này kéo dài tuổi thọ pin của các hệ thống di động, giảm chi phí điện năng cho các thiết bị lớn và tiết kiệm không gian trước đây được sử dụng cho các bộ phận tản nhiệt.

Chuyển sang cấu trúc liên kết được chuyển mạch có một số nhược điểm nhất định và thiết kế phức tạp hơn của nó đòi hỏi người thiết kế phải có nhiều kỹ năng. Các kỹ sư thiết kế phải quen thuộc với các công nghệ tương tự và kỹ thuật số, điện từ và điều khiển vòng kín. Các nhà thiết kế bảng mạch in (PCB) phải quan tâm nhiều hơn đến nhiễu điện từ (EMI) vì dạng sóng chuyển mạch tần số cao có thể gây ra sự cố trong các mạch tương tự và RF nhạy cảm.

Trước khi phát minh ra bóng bán dẫn, khái niệm cơ bản về chuyển đổi công suất chế độ chuyển mạch đã được đề xuất: ví dụ, hệ thống phóng điện cảm ứng kiểu Kate được phát minh vào năm 1910, sử dụng một bộ rung cơ học để thực hiện một bộ chuyển đổi tăng hiệu suất cho hệ thống đánh lửa trên ô tô.

Hầu hết các cấu trúc liên kết tiêu chuẩn đã tồn tại trong nhiều thập kỷ, nhưng điều đó không có nghĩa là các kỹ sư không điều chỉnh các thiết kế tiêu chuẩn để phù hợp với các ứng dụng mới, đặc biệt là các vòng điều khiển. Kiến trúc tiêu chuẩn sử dụng tần số cố định để duy trì điện áp đầu ra không đổi bằng cách cấp lại một phần điện áp đầu ra (điều khiển chế độ điện áp) hoặc điều khiển dòng điện cảm ứng (điều khiển chế độ hiện tại) trong các điều kiện tải khác nhau. Các nhà thiết kế không ngừng cải tiến để khắc phục những sai sót của thiết kế cơ bản.

Hình 1 là sơ đồ khối của hệ thống điều khiển chế độ điện áp vòng kín (VMC) cơ bản. Giai đoạn nguồn bao gồm một công tắc nguồn và một bộ lọc đầu ra. Khối bù bao gồm bộ chia điện áp đầu ra, bộ khuếch đại lỗi, điện áp tham chiếu và thành phần bù vòng. Bộ điều biến độ rộng xung (PWM) sử dụng bộ so sánh để so sánh tín hiệu lỗi với tín hiệu dốc cố định để tạo ra chuỗi xung đầu ra tỷ lệ với tín hiệu lỗi.

Mặc dù các tải khác nhau của hệ thống VMC có các quy tắc đầu ra nghiêm ngặt và dễ dàng đồng bộ hóa với đồng hồ bên ngoài, kiến trúc tiêu chuẩn có một số nhược điểm. Bù vòng làm giảm băng thông của vòng điều khiển và làm chậm phản ứng nhất thời; bộ khuếch đại lỗi làm tăng dòng hoạt động và giảm hiệu quả.

Sơ đồ điều khiển đúng giờ (COT) không đổi cung cấp hiệu suất tạm thời tốt mà không cần bù vòng lặp. Điều khiển COT sử dụng bộ so sánh để so sánh điện áp đầu ra được điều chỉnh với điện áp tham chiếu: khi điện áp đầu ra nhỏ hơn điện áp tham chiếu, một xung thời gian cố định được tạo ra. Ở chu kỳ nhiệm vụ thấp, điều này làm cho tần số chuyển mạch rất cao, vì vậy bộ điều khiển COT thích ứng tạo ra thời gian thay đổi theo điện áp đầu vào và đầu ra, giúp tần số gần như không đổi ở trạng thái ổn định. Cấu trúc liên kết D-CAP của Texas Instrument là một cải tiến so với cách tiếp cận COT thích ứng: bộ điều khiển D-CAP thêm điện áp dốc vào đầu vào của bộ so sánh phản hồi, giúp cải thiện hiệu suất jitter bằng cách giảm dải nhiễu trong ứng dụng. Hình 2 là sự so sánh của hệ thống COT và D-CAP.

Hình 2: So sánh cấu trúc liên kết COT tiêu chuẩn (a) và cấu trúc liên kết D-CAP (b) (Nguồn: Texas Instruments) Có một số biến thể khác nhau của cấu trúc liên kết D-CAP cho các nhu cầu khác nhau. Ví dụ, bộ điều khiển PWM nửa cầu TPS53632 sử dụng kiến trúc D-CAP +, chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng dòng điện cao và có thể điều khiển mức công suất lên đến 1MHz trong bộ chuyển đổi POL 48V đến 1V với hiệu suất cao tới 92%.

Không giống như D-CAP, vòng phản hồi D-CAP + thêm một thành phần tỷ lệ với dòng điện cảm ứng để điều khiển độ rủ chính xác. Bộ khuếch đại lỗi tăng lên cải thiện độ chính xác của tải DC trong nhiều điều kiện tải và dòng.

Điện áp đầu ra của bộ điều khiển được thiết lập bởi DAC bên trong. Chu kỳ này bắt đầu khi phản hồi hiện tại đạt đến mức điện áp lỗi. Điện áp lỗi này tương ứng với sự chênh lệch điện áp khuếch đại giữa điện áp điểm đặt DAC và điện áp đầu ra phản hồi.

Bước 2: Cải thiện hiệu suất trong điều kiện tải nhẹ

Đối với các thiết bị di động và đeo được, cần phải cải thiện hiệu suất trong điều kiện tải nhẹ để kéo dài tuổi thọ pin. Nhiều ứng dụng di động và thiết bị đeo được ở chế độ chờ "ngủ tạm thời" hoặc "ngủ" hầu hết thời gian, chỉ được kích hoạt để phản hồi thông tin đầu vào của người dùng hoặc các phép đo định kỳ, vì vậy hãy giảm thiểu mức tiêu thụ điện năng ở chế độ chờ. Nó là ưu tiên hàng đầu.

Cấu trúc liên kết DCS-ControlTM (Điều khiển trực tiếp để chuyển tiếp liền mạch sang chế độ tiết kiệm năng lượng) kết hợp các ưu điểm của ba sơ đồ điều khiển khác nhau (tức là chế độ trễ, chế độ điện áp và chế độ hiện tại) để cải thiện hiệu suất trong điều kiện tải nhẹ, đặc biệt là chuyển đổi sang Hoặc khi rời khỏi trạng thái tải nhẹ. Cấu trúc liên kết này hỗ trợ các chế độ PWM cho tải vừa và nặng, cũng như chế độ tiết kiệm điện (PSM) cho tải nhẹ.

Trong quá trình vận hành PWM, hệ thống hoạt động ở tần số chuyển mạch định mức dựa trên điện áp đầu vào và điều khiển sự thay đổi tần số. Nếu dòng tải giảm, bộ chuyển đổi chuyển sang PSM để duy trì hiệu suất cao cho đến khi nó giảm xuống mức tải rất nhẹ. Tại PSM, tần số chuyển mạch giảm tuyến tính theo dòng tải. Cả hai chế độ đều được điều khiển bởi một khối điều khiển duy nhất, do đó quá trình chuyển đổi từ PWM sang PSM là liền mạch và không ảnh hưởng đến điện áp đầu ra.

Hình 3 là sơ đồ khối của DCS-ControlTM. Vòng điều khiển lấy thông tin về sự thay đổi điện áp đầu ra và cung cấp trực tiếp trở lại bộ so sánh nhanh. Bộ so sánh đặt tần số chuyển mạch (như một hằng số đối với các điều kiện hoạt động ở trạng thái ổn định) và cung cấp phản ứng tức thì đối với những thay đổi của tải động. Vòng phản hồi điện áp điều chỉnh chính xác tải DC. Mạng điều chỉnh bù bên trong cho phép hoạt động nhanh và ổn định với các thành phần bên ngoài nhỏ và tụ điện ESR thấp.

Hình 3: Triển khai cấu trúc liên kết DCS-ControlTM trong bộ chuyển đổi buck TPS62130 (Nguồn: Texas Instruments)

Bộ chuyển đổi nguồn chuyển đổi đồng bộ TPS6213xA-Q1 dựa trên cấu trúc liên kết DCS-ControlTM và được tối ưu hóa cho các ứng dụng POL mật độ công suất cao. Tần số chuyển mạch 2,5MHz điển hình cho phép sử dụng các cuộn cảm nhỏ và cung cấp phản ứng thoáng qua nhanh và độ chính xác điện áp đầu ra cao. TPS6213 hoạt động từ dải điện áp đầu vào từ 3V đến 17V và có thể cung cấp dòng điện liên tục lên đến 3A giữa điện áp đầu ra 0,9V và 6V.