ความท้าทายของการออกแบบพาวเวอร์ซัพพลายพบกับเทคโนโลยี DC-DC: 3 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:05

ฉันจะวิเคราะห์ว่าการออกแบบแหล่งจ่ายไฟที่ท้าทายโดย DC-DC Technologies เป็นอย่างไร

นักออกแบบระบบไฟฟ้ากำลังเผชิญกับแรงกดดันอย่างต่อเนื่องจากตลาดในการหาวิธีใช้ประโยชน์จากพลังงานที่มีอยู่ให้เกิดประโยชน์สูงสุด ในอุปกรณ์พกพา ประสิทธิภาพที่สูงขึ้นจะช่วยยืดอายุแบตเตอรี่และทำให้มีฟังก์ชันการทำงานมากขึ้นในแพ็คเกจที่เล็กลง ในเซิร์ฟเวอร์และสถานีฐาน การเพิ่มประสิทธิภาพสามารถประหยัดโครงสร้างพื้นฐาน (ระบบทำความเย็น) และค่าใช้จ่ายในการดำเนินงาน (ค่าไฟฟ้า) ได้โดยตรง เพื่อตอบสนองความต้องการของตลาด ผู้ออกแบบระบบกำลังปรับปรุงกระบวนการแปลงกำลังไฟฟ้าในหลายพื้นที่ รวมถึงโทโพโลยีสวิตชิ่งที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น นวัตกรรมบรรจุภัณฑ์ และอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ใหม่ที่ใช้ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) และแกลเลียมไนไตรด์ (GaN)

ขั้นตอนที่ 1: การปรับปรุงการสลับโทโพโลยีตัวแปลง

เพื่อใช้ประโยชน์จากพลังงานที่มีอยู่อย่างเต็มที่ ผู้คนเริ่มหันมาใช้การออกแบบที่ใช้เทคโนโลยีสวิตชิ่งมากกว่าเทคโนโลยีเชิงเส้น แหล่งจ่ายไฟสลับ (SMPS) มีประสิทธิภาพมากกว่า 90% ซึ่งช่วยยืดอายุแบตเตอรี่ของระบบแบบพกพา ลดต้นทุนค่าไฟฟ้าสำหรับอุปกรณ์ขนาดใหญ่ และช่วยประหยัดพื้นที่ที่เคยใช้สำหรับส่วนประกอบฮีตซิงก์

การเปลี่ยนไปใช้โทโพโลยีแบบสลับมีข้อเสียบางประการ และการออกแบบที่ซับซ้อนมากขึ้นนั้นต้องการนักออกแบบที่มีทักษะหลายอย่าง วิศวกรออกแบบจะต้องคุ้นเคยกับเทคโนโลยีแอนะล็อกและดิจิทัล แม่เหล็กไฟฟ้า และการควบคุมแบบวงปิด นักออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ต้องให้ความสำคัญกับการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) มากขึ้น เนื่องจากรูปคลื่นของการเปลี่ยนความถี่สูงอาจทำให้เกิดปัญหาในวงจรแอนะล็อกและ RF ที่มีความละเอียดอ่อน

ก่อนการประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ มีการเสนอแนวคิดพื้นฐานของการแปลงพลังงานในโหมดสวิตซ์ ตัวอย่างเช่น ระบบคายประจุแบบเหนี่ยวนำประเภท Kate ที่คิดค้นขึ้นในปี 1910 ซึ่งใช้เครื่องสั่นแบบกลไกเพื่อติดตั้งตัวแปลงบูสต์แบบฟลายแบ็คสำหรับระบบจุดระเบิดของรถยนต์.

โทโพโลยีมาตรฐานส่วนใหญ่มีมานานหลายทศวรรษแล้ว แต่นั่นไม่ได้หมายความว่าวิศวกรจะไม่ปรับการออกแบบมาตรฐานเพื่อรองรับการใช้งานใหม่ๆ โดยเฉพาะลูปควบคุม สถาปัตยกรรมมาตรฐานใช้ความถี่คงที่เพื่อรักษาแรงดันเอาต์พุตให้คงที่โดยป้อนกลับส่วนหนึ่งของแรงดันเอาต์พุต (การควบคุมโหมดแรงดันไฟฟ้า) หรือควบคุมกระแสเหนี่ยวนำ (การควบคุมโหมดกระแสไฟ) ภายใต้สภาวะโหลดที่แตกต่างกัน นักออกแบบปรับปรุงอย่างต่อเนื่องเพื่อเอาชนะข้อบกพร่องของการออกแบบพื้นฐาน

รูปที่ 1 เป็นแผนภาพบล็อกของระบบควบคุมโหมดแรงดันไฟแบบวงปิดพื้นฐาน (VMC) สเตจกำลังประกอบด้วยสวิตช์ไฟและตัวกรองเอาต์พุต บล็อกการชดเชยประกอบด้วยตัวแบ่งแรงดันเอาต์พุต แอมพลิฟายเออร์ข้อผิดพลาด แรงดันอ้างอิง และส่วนประกอบชดเชยลูป โมดูเลเตอร์ความกว้างพัลส์ (PWM) ใช้ตัวเปรียบเทียบเพื่อเปรียบเทียบสัญญาณข้อผิดพลาดกับสัญญาณทางลาดคงที่เพื่อสร้างลำดับพัลส์เอาต์พุตที่เป็นสัดส่วนกับสัญญาณผิดพลาด

แม้ว่าโหลดต่างๆ ของระบบ VMC จะมีกฎเอาต์พุตที่เข้มงวดและซิงโครไนซ์กับนาฬิกาภายนอกได้ง่าย แต่สถาปัตยกรรมมาตรฐานก็มีข้อเสียบางประการ การชดเชยลูปช่วยลดแบนด์วิดท์ของลูปควบคุมและทำให้การตอบสนองชั่วคราวช้าลง แอมพลิฟายเออร์ข้อผิดพลาดจะเพิ่มกระแสการทำงานและลดประสิทธิภาพ

รูปแบบการควบคุมตรงเวลาคงที่ (COT) ให้ประสิทธิภาพชั่วคราวที่ดีโดยไม่มีการชดเชยลูป ตัวควบคุม COT ใช้ตัวเปรียบเทียบเพื่อเปรียบเทียบแรงดันเอาต์พุตที่ควบคุมกับแรงดันอ้างอิง: เมื่อแรงดันเอาต์พุตน้อยกว่าแรงดันอ้างอิง จะมีการสร้างพัลส์ตรงเวลาคงที่ ที่รอบการทำงานต่ำ สิ่งนี้ทำให้ความถี่ในการเปลี่ยนความถี่สูงมาก ดังนั้นตัวควบคุม COT แบบปรับได้จะสร้างเวลาตรงที่แตกต่างกันไปตามแรงดันไฟฟ้าอินพุตและเอาต์พุต ซึ่งทำให้ความถี่เกือบคงที่ในสถานะคงที่ โทโพโลยี D-CAP ของ Texas Instrument เป็นการปรับปรุงเหนือแนวทาง COT แบบปรับได้: ตัวควบคุม D-CAP เพิ่มแรงดันไฟฟ้าทางลาดไปยังอินพุตตัวเปรียบเทียบผลป้อนกลับ ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการกระวนกระวายใจโดยการลดแถบสัญญาณรบกวนในแอปพลิเคชัน รูปที่ 2 เป็นการเปรียบเทียบระบบ COT และ D-CAP

รูปที่ 2: การเปรียบเทียบโทโพโลยี COT มาตรฐาน (a) และโทโพโลยี D-CAP (b) (ที่มา: Texas Instruments) โทโพโลยี D-CAP มีหลายแบบสำหรับความต้องการที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น คอนโทรลเลอร์ PWM ฮาล์ฟบริดจ์ TPS53632 ใช้สถาปัตยกรรม D-CAP+ ซึ่งใช้เป็นหลักในแอพพลิเคชั่นที่มีกระแสไฟสูงและสามารถขับระดับพลังงานสูงถึง 1MHz ในตัวแปลง POL 48V ถึง 1V โดยมีประสิทธิภาพสูงถึง 92%

วงจรป้อนกลับ D-CAP+ ต่างจาก D-CAP ตรงที่เพิ่มส่วนประกอบที่เป็นสัดส่วนกับกระแสเหนี่ยวนำเพื่อการควบคุมการตกหล่นที่แม่นยำ แอมพลิฟายเออร์ข้อผิดพลาดที่เพิ่มขึ้นช่วยปรับปรุงความแม่นยำของโหลด DC ภายใต้เงื่อนไขไลน์และโหลดที่หลากหลาย

แรงดันไฟขาออกของคอนโทรลเลอร์กำหนดโดย DAC ภายใน รอบนี้เริ่มต้นเมื่อข้อเสนอแนะปัจจุบันถึงระดับแรงดันไฟฟ้าผิดพลาด แรงดันไฟฟ้าผิดพลาดนี้สอดคล้องกับความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าที่ขยายระหว่างแรงดันจุดที่กำหนด DAC และแรงดันเอาต์พุตป้อนกลับ

ขั้นตอนที่ 2: ปรับปรุงประสิทธิภาพภายใต้สภาวะโหลดน้อย

สำหรับอุปกรณ์พกพาและอุปกรณ์สวมใส่ได้ จำเป็นต้องปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงานภายใต้สภาวะโหลดน้อยเพื่อยืดอายุแบตเตอรี่ แอปพลิเคชันแบบพกพาและอุปกรณ์สวมใส่จำนวนมากอยู่ในโหมดสแตนด์บาย "พักเครื่องชั่วคราว" หรือ "สลีป" ที่ใช้พลังงานต่ำเป็นส่วนใหญ่ โดยจะเปิดใช้งานเฉพาะเพื่อตอบสนองต่ออินพุตของผู้ใช้หรือการวัดเป็นระยะเท่านั้น ดังนั้นให้ลดการใช้พลังงานในโหมดสแตนด์บายให้น้อยที่สุด เป็นลำดับความสำคัญสูงสุด

โทโพโลยี DCS-ControlTM (การควบคุมโดยตรงสู่การเปลี่ยนผ่านสู่โหมดประหยัดพลังงานอย่างราบรื่น) รวมข้อดีของรูปแบบการควบคุมที่แตกต่างกันสามแบบ (เช่น โหมดฮิสเทรีซิส โหมดแรงดันไฟฟ้า และโหมดกระแสไฟ) เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพภายใต้สภาวะโหลดเบา โดยเฉพาะอย่างยิ่งการเปลี่ยนไปใช้ หรือเมื่อ ออกจากสถานะโหลดเบา โทโพโลยีนี้รองรับโหมด PWM สำหรับโหลดขนาดกลางและหนัก รวมถึงโหมดประหยัดพลังงาน (PSM) สำหรับโหลดขนาดเล็ก

ระหว่างการทำงานของ PWM ระบบจะทำงานที่ความถี่สวิตชิ่งที่กำหนดตามแรงดันไฟฟ้าอินพุตและควบคุมการเปลี่ยนแปลงความถี่ หากกระแสโหลดลดลง คอนเวอร์เตอร์จะสลับไปที่ PSM เพื่อรักษาประสิทธิภาพสูงไว้จนกว่าจะลดลงเป็นโหลดที่เบามาก ที่ PSM ความถี่สวิตชิ่งจะลดลงตามกระแสโหลด ทั้งสองโหมดถูกควบคุมโดยบล็อกควบคุมเดียว ดังนั้นการเปลี่ยนจาก PWM เป็น PSM จึงราบรื่นและไม่ส่งผลต่อแรงดันเอาต์พุต

รูปที่ 3 เป็นแผนภาพบล็อกของ DCS-ControlTM ลูปควบคุมจะนำข้อมูลเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงของแรงดันเอาต์พุตและป้อนกลับไปยังเครื่องเปรียบเทียบแบบเร็วโดยตรง ตัวเปรียบเทียบจะตั้งค่าความถี่สวิตชิ่ง (เป็นค่าคงที่สำหรับสภาวะการทำงานในสภาวะคงตัว) และให้การตอบสนองทันทีต่อการเปลี่ยนแปลงโหลดแบบไดนามิก วงจรป้อนกลับของแรงดันไฟฟ้าควบคุมโหลด DC ได้อย่างแม่นยำ เครือข่ายการควบคุมที่ชดเชยภายในช่วยให้การทำงานรวดเร็วและเสถียรด้วยส่วนประกอบภายนอกขนาดเล็กและตัวเก็บประจุ ESR ต่ำ

รูปที่ 3: การนำโทโพโลยี DCS-ControlTM ไปใช้ในตัวแปลงบั๊ก TPS62130 (ที่มา: Texas Instruments)

ตัวแปลงพลังงานแบบซิงโครนัสแบบซิงโครนัส TPS6213xA-Q1 ใช้โทโพโลยี DCS-ControlTM และได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับแอปพลิเคชัน POL ที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูง ความถี่สวิตชิ่ง 2.5MHz ทั่วไปอนุญาตให้ใช้ตัวเหนี่ยวนำขนาดเล็กและให้การตอบสนองชั่วคราวที่รวดเร็วและความแม่นยำของแรงดันเอาต์พุตสูง TPS6213 ทำงานจากช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุต 3V ถึง 17V และสามารถส่งกระแสไฟต่อเนื่องได้ถึง 3A ระหว่างแรงดันเอาต์พุต 0.9V และ 6V