多种DC-DC技术合力应对电源设计的挑战

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小编:电力系统设计职员正面临来自市场的持续压力,努力探求充分使用可用电力的措施。 在便携式设备中,更高的效率可以延长 电池 的应用寿命,并将更多功能放入更小的封装中。在办事

电力系统设计职员正面临来自市场的持续压力,努力探求充分使用可用电力的措施。

在便携式设备中,更高的效率可以延长电池的应用寿命,并将更多功能放入更小的封装中。在办事器和基站中,效率的提升更是可以直接节省根基举措措施(冷却系统)和运营资源(电费)。

为满意市场需求,系统设计职员正在改进多个领域的电力转换历程,包括更高效的开关式拓扑、封装立异和以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为基材的新型半导体器件。

开关式转换器拓扑的改进

为充分使用可用电力,人们越来越多地采纳基于开关技巧而不是线性技巧的设计。开关式电源(SMPS)的有效功率高达90%以上。这延长了便携式系统的电池寿命,低落了大年夜型设备的电力资源,并且可以省下曩昔用于散热部件的空间。

转至开关式拓扑有必然的毛病,其更繁杂的设计要求设计职员具有多元化的技能。设计工程师必须认识模拟和数字技巧、电磁学及闭环节制。印刷电路板PCB)的设计职员必须加倍留意电磁滋扰(EMI),由于高频开关波形会使敏感的模拟电路和射频电路孕育发生问题。

晶体管发现之前,就已经有人提出了开关式电力转换的基础观点:例如,1910年发现的凯特式感应放电系统,其应用了机器振动器来实现汽车焚烧系统的反激式升压转换器。

大年夜多半标准拓扑已经存在了几十年,但这并不料味着工程师不会调剂标准设计来适应新的利用,分外是节制回路。标准架构应用固定频率,在不合的负载前提下,经由过程反馈部分输出电压(电压模式节制)或节制感应电流(电流模式节制)来维持恒定的输出电压。设计职员已经在赓续改进,以降服基础设计的缺陷。

图1:电压模式的降压转换器拓扑(资料滥觞:Texas Instruments)

图1是基础闭环电压模式节制(VMC)系统的框图。功率级由电源开关和输出滤波器组成。补偿块包括输出电压分压器、偏差放大年夜器、参考电压和回路补偿元件。脉宽调制器(PWM)应用对照器将偏差旌旗灯号与固定斜坡旌旗灯号进行对照,天生与偏差旌旗灯号成比例的输出脉冲序列。

虽然VMC系统的不合负载皆有严格的输出规则,且轻易与外部时钟同步,但标准架构有一些缺陷。回路补偿低落了节制回路的带宽,放缓了瞬态相应的速率;偏差放大年夜器则增添了功课电流,低落了效率。

在不必要回路补偿的环境下,恒定导通光阴(COT)节制规划供给了优越的瞬态机能。COT节制应用对照器来对照调节后的输出电压和参考电压:当输出电压小于参考电压时,就会天生一个固定导通光阴脉冲。在低占空比前提下,这会导致开关频率异常高,是以自适应COT节制器便会天生一个随输入和输出电压而变更的导通光阴,这在稳定状态下可以维持频率险些不变。

Texas Instrument的D-CAP拓扑是对自适应COT措施的改进:D-CAP节制器在反馈对照器的输入中增添了一个斜坡电压,经由过程削减利用中的噪声频带,斜坡改良了哆嗦机能。图2是COT和D-CAP系统的对照。

图2:标准COT拓扑(a)和D-CAP拓扑(b)的对照(资料滥觞:Texas Instruments)

针对不合的需求,D-CAP拓扑有几种不合的变体。例如,TPS53632半桥PWM节制器应用D-CAP+架构,主要用于高电流利用,可以在48V到1V的POL转换器中驱动高达1MHz的功率级,效率高达92%。

不合于D-CAP,D-CAP+反馈环增添了一个与感应电流成比例的部件,用于实现正确的下垂节制。在各类线路和负载前提下,增添的偏差放大年夜器都可以提升DC负载的准确性。

节制器的输出电压经由过程内部DAC设置。当电流反馈达到偏差电压水平时,这个周期就会开始。此偏差电压与DAC设定点电压和反馈输出电压之间颠末放大年夜的电压差相对应。

改良轻负载前提下的机能

对付便携式和可穿着设备,必要改良轻负荷前提下的机能,以延长电池寿命。许多便携式和可穿着利用在大年夜部分光阴处于低功耗的“暂时休眠”或“就寝”待机模式,只在响利用户输入或进行按期丈量时才会激活,是以在待机模式下,只管即便削减功耗是最优先斟酌的工作。

DCS-Control™(无缝转换至节能模式的直接节制)拓扑综合了三种不合节制规划(即迟滞模式、电压模式和电流模式)的优点,以改良轻负载前提下的机能,分外是过渡至或脱离轻负载状态时。该拓扑支持中型和重型负载的PWM模式,以及用于轻负载的省电模式 (PSM)。

在PWM操作历程中,系统根据输入电压,以其额定开关频率运行,并节制频率变更。假如负载电流低落,转换器就会切换到PSM以维持高效率,直到降至异常轻的负载。在PSM下,开关频率随负载电流线性低落。这两种模式均由单个节制块进行节制,是以从PWM到PSM的转换是无缝的,不会影响输出电压。

图3是DCS-Control™框图。节制回路获取关于输出电压变更的信息,并将其直接反馈给快速对照器。对照器设置开关频率(作为稳态运行前提的常数),并对动态负载变更供给即时相应。电压反馈回路可以正确地调节DC负载。颠末内部补偿的调节收集经由过程小型外部组件和低ESR电容器便可实现快速稳定的操作。

图3:DCS-Control™拓扑在TPS62130降压转换器中的实现

TPS6213xA-Q1同步开关式电力转换器基于DCS-Control™拓扑,针对高功率密度的POL利用进行了优化。范例的2.5MHz开关频率容许应用小型电感器,并能供给快速瞬态相应和高输出电压精度。TPS6213可以在3V到17V的输入电压范围内操作,并且可以在0.9V和6V的输出电压之间输出高达3A的继续电流。

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