Comment les défis de la conception d'alimentation électrique se rencontrent-ils par les technologies DC-DC : 3 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:07

J'analyserai comment le défi de la conception de l'alimentation électrique de DC-DC Technologies est-il relevé.

Les concepteurs de systèmes électriques sont confrontés à une pression constante du marché pour trouver des moyens de tirer le meilleur parti de la puissance disponible. Dans les appareils portables, une efficacité plus élevée prolonge la durée de vie de la batterie et met plus de fonctionnalités dans des boîtiers plus petits. Dans les serveurs et les stations de base, les gains d'efficacité peuvent directement économiser l'infrastructure (systèmes de refroidissement) et les coûts d'exploitation (factures d'électricité). Pour répondre aux demandes du marché, les concepteurs de systèmes améliorent les processus de conversion de puissance dans de nombreux domaines, notamment des topologies de commutation plus efficaces, des innovations de boîtier et de nouveaux dispositifs semi-conducteurs à base de carbure de silicium (SiC) et de nitrure de gallium (GaN).

Étape 1: amélioration de la topologie du convertisseur de commutation

Pour tirer pleinement parti de la puissance disponible, les gens adoptent de plus en plus des conceptions basées sur la technologie de commutation plutôt que sur la technologie linéaire. L'alimentation à découpage (SMPS) a une puissance effective de plus de 90 %. Cela prolonge la durée de vie de la batterie des systèmes portables, réduit le coût de l'électricité pour les gros équipements et économise l'espace précédemment utilisé pour les composants du dissipateur thermique.

Le passage à une topologie commutée présente certains inconvénients, et sa conception plus complexe oblige les concepteurs à avoir de multiples compétences. Les ingénieurs de conception doivent être familiarisés avec les technologies analogiques et numériques, l'électromagnétisme et le contrôle en boucle fermée. Les concepteurs de cartes de circuits imprimés (PCB) doivent accorder plus d'attention aux interférences électromagnétiques (EMI) car les formes d'onde de commutation à haute fréquence peuvent causer des problèmes dans les circuits analogiques et RF sensibles.

Avant l'invention du transistor, le concept de base de la conversion de puissance à découpage a été proposé: par exemple, le système de décharge inductive de type Kate inventé en 1910, qui utilisait un vibrateur mécanique pour mettre en œuvre un convertisseur de suralimentation flyback pour un système d'allumage automobile.

La plupart des topologies standard existent depuis des décennies, mais cela ne signifie pas que les ingénieurs n'ajustent pas les conceptions standard pour s'adapter aux nouvelles applications, en particulier les boucles de contrôle. L'architecture standard utilise une fréquence fixe pour maintenir une tension de sortie constante en réinjectant une partie de la tension de sortie (contrôle en mode tension) ou en contrôlant le courant induit (contrôle en mode courant) dans différentes conditions de charge. Les concepteurs s'améliorent constamment pour surmonter les défauts de la conception de base.

La figure 1 est un schéma fonctionnel d'un système de commande de mode de tension en boucle fermée (VMC) de base. L'étage de puissance se compose d'un interrupteur d'alimentation et d'un filtre de sortie. Le bloc de compensation comprend un diviseur de tension de sortie, un amplificateur d'erreur, une tension de référence et un composant de compensation de boucle. Un modulateur de largeur d'impulsion (PWM) utilise un comparateur pour comparer le signal d'erreur à un signal de rampe fixe afin de produire une séquence d'impulsions de sortie qui est proportionnelle au signal d'erreur.

Bien que les différentes charges du système VMC aient des règles de sortie strictes et soient faciles à synchroniser avec l'horloge externe, l'architecture standard présente certains inconvénients. La compensation de boucle réduit la bande passante de la boucle de contrôle et ralentit la réponse transitoire; l'amplificateur d'erreur augmente le courant de fonctionnement et réduit l'efficacité.

Le schéma de contrôle à temps constant (COT) offre de bonnes performances transitoires sans compensation de boucle. La commande COT utilise un comparateur pour comparer la tension de sortie régulée à la tension de référence: lorsque la tension de sortie est inférieure à la tension de référence, une impulsion fixe est générée. À des cycles de service faibles, la fréquence de commutation est très élevée, de sorte que le contrôleur COT adaptatif génère un temps d'activation qui varie avec les tensions d'entrée et de sortie, ce qui maintient la fréquence presque constante en régime permanent. La topologie D-CAP de Texas Instrument est une amélioration par rapport à l'approche COT adaptative: le contrôleur D-CAP ajoute une tension de rampe à l'entrée du comparateur de rétroaction, ce qui améliore les performances de gigue en réduisant la bande de bruit dans l'application. La figure 2 est une comparaison des systèmes COT et D-CAP.

Figure 2: Comparaison de la topologie COT standard (a) et de la topologie D-CAP (b) (Source: Texas Instruments) Il existe plusieurs variantes de la topologie D-CAP pour différents besoins. Par exemple, le contrôleur PWM demi-pont TPS53632 utilise l'architecture D-CAP+, qui est principalement utilisée dans les applications à courant élevé et peut piloter des niveaux de puissance jusqu'à 1 MHz dans des convertisseurs POL 48 V à 1 V avec des rendements pouvant atteindre 92 %.

Contrairement au D-CAP, la boucle de rétroaction D-CAP+ ajoute un composant proportionnel au courant induit pour un contrôle précis du statisme. L'amplificateur d'erreur accru améliore la précision de la charge CC dans diverses conditions de ligne et de charge.

La tension de sortie du contrôleur est définie par le DAC interne. Ce cycle commence lorsque le retour de courant atteint le niveau de tension d'erreur. Cette tension d'erreur correspond à la différence de tension amplifiée entre la tension de consigne du DAC et la tension de sortie de retour.

Étape 2: Améliorer les performances dans des conditions de charge légère

Pour les appareils portables et portables, il est nécessaire d'améliorer les performances dans des conditions de charge légère pour prolonger la durée de vie de la batterie. De nombreuses applications portables et portables sont la plupart du temps en mode veille « veille temporaire » ou « veille » à faible consommation, activées uniquement en réponse à l'entrée de l'utilisateur ou à des mesures périodiques, afin de minimiser la consommation d'énergie en mode veille. C'est la priorité absolue.

La topologie DCS-ControlTM (Direct Control to Seamless Transition to Energy Saver Mode) combine les avantages de trois schémas de contrôle différents (c. quitter l'état de charge légère. Cette topologie prend en charge les modes PWM pour les charges moyennes et lourdes, ainsi que le mode d'économie d'énergie (PSM) pour les charges légères.

Pendant le fonctionnement PWM, le système fonctionne à sa fréquence de commutation nominale en fonction de la tension d'entrée et contrôle le changement de fréquence. Si le courant de charge diminue, le convertisseur passe au PSM pour maintenir un rendement élevé jusqu'à ce qu'il tombe à une charge très légère. Au PSM, la fréquence de découpage diminue linéairement avec le courant de charge. Les deux modes sont contrôlés par un seul bloc de commande, de sorte que la transition de PWM à PSM est transparente et n'affecte pas la tension de sortie.

La figure 3 est un schéma fonctionnel du DCS-ControlTM. La boucle de contrôle prend des informations sur le changement de tension de sortie et les renvoie directement au comparateur rapide. Le comparateur définit la fréquence de commutation (en tant que constante pour des conditions de fonctionnement en régime permanent) et fournit une réponse immédiate aux changements de charge dynamiques. La boucle de retour de tension régule avec précision la charge CC. Le réseau de régulation à compensation interne permet un fonctionnement rapide et stable avec de petits composants externes et des condensateurs à faible ESR.

Figure 3: Implémentation de la topologie DCS-ControlTM dans le convertisseur abaisseur TPS62130 (Source: Texas Instruments)

Le convertisseur de puissance à découpage synchrone TPS6213xA-Q1 est basé sur la topologie DCS-ControlTM et est optimisé pour les applications POL à haute densité de puissance. La fréquence de commutation typique de 2,5 MHz permet l'utilisation de petites inductances et fournit une réponse transitoire rapide et une précision de tension de sortie élevée. Le TPS6213 fonctionne à partir d'une plage de tension d'entrée de 3V à 17V et peut fournir jusqu'à 3A de courant continu entre des tensions de sortie de 0,9V et 6V.