Нове технике за смањење губитака снаге у минијатурним ДЦ / ДЦ претварачима

СУ-27 - најбољи истребитељ на свету 02 (српски титл) (Јун 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

За дизајнера енергетског система најважнија карактеристика претварача дц / дц није његов унутрашњи дизајн, већ његова ефикасност

БИ ЕМИР СЕРДАРЕВИЦ,
Инжењер дизајна особља,
амс,
ввв.амс.цом

Велики напредак је направљен у протеклих неколико година у дизајну ДЦ / ДЦ конверторских кола повећавајући њихову фреквенцију преласка. То је довело до побољшаних перформанси - прецизније регулације и бржег одговора на пролазнике - као и на смањење простора заузета од конвертора.
Али два основна компромиса наставила су са дизајном пса конвертора када је у питању енергетска ефикасност. Смањивање величине прекидача снаге има тенденцију да смањи његову ефикасност, а смањење снаге повратним елементима има тенденцију да смањи њихове перформансе.
Сада су нови приступи изради конверторских прекидача снаге и раду кругова повратних информација успјели надвладати претходна ограничења у ефикасности ДЦ / ДЦ претварача. Овај чланак описује их и описује њихов утицај на дизајере уређаја са ниском снагом и батеријом.

Основни рад конвертора дц / дц

Иако произвођачи конвертора ДЦ / ДЦ или конвертори побољшавају услове за оптимизацију уређаја за величину, брзину, ефикасност или трошкове, сви имају у основи исте основне елементе: улазни напон се претвара у излазни напон кроз рад два прекидача (види слику 1 ). Контролер прати излазни напон и, користећи ову повратну информацију, одређује ширину импулса потребног за производњу жељеног излазног напона.

Слика 1: Са С1 затвореним и отвореним С2, индуктор Л1 је напуњен; са отвореним С1 и С2 затвореним, Л1 се испразни.

Неколико елемената таквог конвертора ДЦ / ДЦ доприноси губитку снаге:

  • не-идеалне спољне компоненте, као што су калемови и кондензатори
  • неадекватни прекидачи, који узрокују губитак преласка док струја пролази кроз њих. Ови губици су доминантни у континуираном раду (услови високог оптерећења).
  • блокови интерне контроле, који троше енергију. Ово може укључивати детектор нултог прелаза, сензор струје и референтни напон. Ови губици су доминантни у условима лаког оптерећења.

Основна ограничења дизајна претварача енергије

Постоји једноставан начин смањења губитака прекидања који су претрпани током непрекидног рада: Повећајте величину прекидача. Али ово је непожељно у апликацијама ограниченим у свемиру. Повећање површине умиваја такође повећава трошкове ИЦ-а. Због тога постоји потреба да се одржи равнотежа између стварања довољно великих прекидача да толеришу максимално оптерећење и довољно ефикасне, иако их смештају у дизајн плоче и буџету за материјале.
Доминантни губици енергије при лаком оптерећењу могу се ограничити смањењем снаге која се испоручује на унутрашње контролне блокове, али само по цену губитка брзине и прецизности. Такође, функције као што су детектовање нултог прелаза и тренутна сензација морају да раде до високог стандарда перформанси или би целокупан рад претварача могао бити угрожен.

Нове технике израде за врхунско руковање струјом

Основна природа компромиса описана горе је одређена законима физике. То значи, на пример, да ће већи прекидач направљен са датим процесом изумирања изгубити мање енергије у преклопним операцијама него мањи прекидач који се производи истим процесом.
Побољшани процес, међутим, може произвести ефикаснији мали прекидач, и овако произвођачи претварача сада покушавају смањити утицај основног компромиса.
У последњој генерацији прекидача снаге из амс, на пример, МОСФЕТ се реализује са вафел структуром имплементираном у стандардном ЦМОС силицијуму. Ова вафла структура карактерише њена веома мала отпорност и велики број контаката за сваку путању која носи струју. Ефекат обе карактеристике је смањење губитака прекидача.
МОСФЕТ АС3729Б користи ову нову структуру вафла. Намјењен је за кориштење у струјном склопу који покреће велике процесорске апликације које се налазе у уређајима на батерије, као што су таблете и паметни телефони. Могућност подржавања максималних оптерећења од 8 А и нудећи максималну ефикасност од преко 90%, није већи од 1.615 к 1.615 мм у ВЛП пакету.
Уређај има два канала са максималним оптерећењем по каналу од 4 А (погледајте слику 2 ). Сваки прекидачки терминал је симетрично повезан са два удубљења на пакету. То значи да је максимална струја која протиче кроз било који појединачни бубањ 2 А. Овај релативно ниски струјни терминал омогућава померање губитака на нивоу испод оног што се нормално очекује у МОСФЕТ-у који пребацује оптерећења од 8 А.

Слика 2: Ступањ снаге АС3729Б има симетричну двоканалну структуру.

Интермитентно деловање повратне петље

Ако је средство за смањење губитака снаге у прекидачима смањење отпорности унутрашње структуре, најефективнији начин смањења губитака у повратној петљи би био искључивање. Наравно, повратна петља је основна компонента система претварача, тако да се не може потпуно искључити.
Трик је, онда, да дизајнирате претварач тако да се унутрашњи блокови могу искључити када није потребан, али је укључен и спреман врло брзо ако је потребно.
У ствари, овај начин рада омогућава високу струју која се испоручује овим блоковима - тако да могу радити у врхунским перформансама - у кратком периоду за који су потребни: Просјечни губитак снаге може и даље бити низак, јер потрошена енергија = повер * време. Овај приступ се показао далеко успјешнијим од покушаја смањења струје која се испоручује контролним блоковима у нормалном раду.
Овај делимични затворени режим рада може се илустровати референцом на основни претварач претварача приказан на слици 1 . Прекидачи С1 и С2 напуњени и испусни намотај Л1. Процес конверзије потицаја има две државе:

  • Са С1 затвореним и отвореним С2, струја улази у завојницу (пошто је В ин > В излаз ) и енергија се чува у калему.
  • Када су С1 отворени и С2 затворени, енергија која се чува у завојницама испушта се и струја која тече у завојницу пада (зато што је в излаз > 0 В).

Када је С1 затворен и струја звучника расте, претварач мора да осети струју како би био спреман да отвори прекидач након што се достигне тренутна граница. Ако се прекидач отвори преурањено, уређај не може да подржи номинално максимално оптерећење; ако се прекидач отвара прекасно, може се оштетити завојница. То значи да тренутни сензорски блок мора радити веома прецизно у свим условима.
Када је С2 затворен и струја спирале пада, прецизно откривање нултог прелаза спречава протицање негативне струје, што би могло погоршати ефикасност система. Истовремено, тачка пребацивања би требало да буде што ближе 0 А, како би се смањиле губици укључивања и шум. Дакле, откривање нултог прелаза мора бити изузетно тачно и, опет, под свим условима.
Да би се додатно отежавале ствари, немогуће је смањити мала, ефикасна степена снаге, тако да дизајн струјног кола мора омогућити варијације процеса и неусклађеност између једне и друге јединице.
Са овим захтевом за прецизно детекцију тренутног сензора и откривања нултог прелаза, а нема могућности за обрезивање, како се могу искључити елементи система повратне спреге?
Заправо, прави изазов је брзина којом се тренутна струја повећава и пада. Према формули У = Л * ди / дт, брзина промене струје завојнице је пропорционална напону калема и индиректно пропорционална вриједности калема: ди / дт = У / Л.
Напон У је типично до приближно 5 В; а тренд у дизајном конвертора је да се вриједност калема смањи и смањи. Најновији претварачи користе калемове од 1 μХ или чак 0, 5 μХ. Примена У = 2 В и Л = 0, 5 μХ према формули, ди / дт = 2 В / 0, 5 μХ = стопа промјене у струји калема од 4 А / μс.
Ово је изузетно брзо: струја се мења за 4 мА сваки наносекунд ! Стога је неопходно изузетно брзо детектовање струје и одзив. Ово заузврат захтијева струју снабдевања овим блоковима повратних информација не мање од неколико мА: Смањење снабдевања овим блоковима предалеко би неприхватљиво деградирало њихове перформансе.
Боље је, онда, да искључите ове блокове у потпуности када их нису потребне и да им дају сву струју коју им треба када су потребни. Али то значи да морају брзо да почну. У погледу слике 1, тренутни блок сензора може се укључити и искључити када је С1 укључен и искључен; блок детекције нултог прелаза се може укључити и искључити када је С2 укључен и искључен.
У АС3729Б, ово се имплементира кроз текуће зрцаљење и друге технике које чине повратне блокове доступне за рад у <10 нс. Ова мала количина латенце нема никакав материјалан утицај на перформансе функција детекције тренутног сензора и нултог прелаза, али штеди енергију која би се користила за управљање тим блоковима када није потребна.

Нове технике постижу ефикасност близу 90%

За пројектанта енергетског система најважнија карактеристика ДЦ / ДЦ претварача није његов унутрашњи дизајн: то је (нормално) његова ефикасност. Висока ефикасност помаже у продужењу трајања рада уређаја на батерије током напуњености и такође спречава прекомерно генерисање отпадне топлоте. У данашњим батеријским уређајима, дизајнери обично наводе минималну ефикасност у цијелом оперативном опсегу од 80% и максималну ефикасност од око 90%.
У случају АС3729Б, смањење два доминантна извора губитака помогло је у постизању веома високих нивоа ефикасности. Као што се види на Слици 3, ефикасност у већини оперативног опсега је типично близу 90%.
Ово показује да су измишљотине у производњи и побољшања у операцијама контроле петље могле смањити утицај компромиса између величине претварача и ефикасности; мали уређај, као што је овај, сада може врло ефикасно руковати великим струјама.

Слика 3: Ефикасност зависна од излазне струје у системима који користе различите ТДК калемове.

Аутор Биографија

Емир Сердаревић је од 2004. године био инжењер дизајна особља и менаџер пројекта, одговоран за развој стандардних линијских производа, углавном у области управљања енергијом.

Емир има диплому електротехнике са Техничког универзитета у Грацу у Аустрији.

ЕМИР СЕРДАРЕВИЋ, инжењер дизајна особља, амс, ввв.амс.цом