डीसी-डीसी टेक्नोलॉजीज द्वारा बिजली आपूर्ति डिजाइन की चुनौतियां कैसे मिलती हैं: 3 कदम

2024 लेखक: John Day | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2024-01-30 09:21

मैं विश्लेषण करूंगा कि डीसी-डीसी टेक्नोलॉजीज द्वारा चुनौती बिजली आपूर्ति डिजाइन कैसे मिलती है।

पावर सिस्टम डिजाइनरों को उपलब्ध बिजली का अधिकतम लाभ उठाने के तरीके खोजने के लिए बाजार से लगातार दबाव का सामना करना पड़ रहा है। पोर्टेबल उपकरणों में, उच्च दक्षता बैटरी जीवन का विस्तार करती है और छोटे पैकेजों में अधिक कार्यक्षमता डालती है। सर्वर और बेस स्टेशनों में, दक्षता लाभ सीधे बुनियादी ढांचे (कूलिंग सिस्टम) और परिचालन लागत (बिजली बिल) को बचा सकता है। बाजार की मांगों को पूरा करने के लिए, सिस्टम डिजाइनर कई क्षेत्रों में बिजली रूपांतरण प्रक्रियाओं में सुधार कर रहे हैं, जिसमें अधिक कुशल स्विचिंग टोपोलॉजी, पैकेज नवाचार और सिलिकॉन कार्बाइड (सीआईसी) और गैलियम नाइट्राइड (जीएएन) पर आधारित नए अर्धचालक उपकरण शामिल हैं।

चरण 1: स्विचिंग कनवर्टर टोपोलॉजी में सुधार

उपलब्ध बिजली का पूरा फायदा उठाने के लिए लोग लीनियर तकनीक के बजाय स्विचिंग तकनीक पर आधारित डिजाइनों को तेजी से अपना रहे हैं। स्विचिंग पावर सप्लाई (एसएमपीएस) में 90% से अधिक की प्रभावी शक्ति होती है। यह पोर्टेबल सिस्टम के बैटरी जीवन का विस्तार करता है, बड़े उपकरणों के लिए बिजली की लागत को कम करता है, और पहले गर्मी सिंक घटकों के लिए उपयोग की जाने वाली जगह बचाता है।

स्विच किए गए टोपोलॉजी पर स्विच करने में कुछ कमियां हैं, और इसके अधिक जटिल डिजाइन के लिए डिजाइनरों के पास कई कौशल होने की आवश्यकता होती है। डिज़ाइन इंजीनियरों को एनालॉग और डिजिटल तकनीकों, इलेक्ट्रोमैग्नेटिक्स और क्लोज्ड-लूप नियंत्रण से परिचित होना चाहिए। मुद्रित सर्किट बोर्ड (पीसीबी) के डिजाइनरों को विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप (ईएमआई) पर अधिक ध्यान देना चाहिए क्योंकि उच्च आवृत्ति स्विचिंग तरंग संवेदनशील एनालॉग और आरएफ सर्किट में समस्या पैदा कर सकते हैं।

ट्रांजिस्टर के आविष्कार से पहले, स्विच्ड-मोड पावर रूपांतरण की मूल अवधारणा प्रस्तावित की गई थी: उदाहरण के लिए, केट-टाइप इंडक्टिव डिस्चार्ज सिस्टम का आविष्कार 1910 में किया गया था, जिसमें ऑटोमोटिव इग्निशन सिस्टम के लिए फ्लाईबैक बूस्ट कन्वर्टर को लागू करने के लिए एक मैकेनिकल वाइब्रेटर का उपयोग किया गया था।.

अधिकांश मानक टोपोलॉजी दशकों से मौजूद हैं, लेकिन इसका मतलब यह नहीं है कि इंजीनियर नए अनुप्रयोगों, विशेष रूप से नियंत्रण छोरों को समायोजित करने के लिए मानक डिजाइनों को समायोजित नहीं करते हैं। मानक आर्किटेक्चर आउटपुट वोल्टेज (वोल्टेज मोड नियंत्रण) के पीछे के हिस्से को खिलाकर या विभिन्न लोड स्थितियों के तहत प्रेरित वर्तमान (वर्तमान मोड नियंत्रण) को नियंत्रित करके निरंतर आउटपुट वोल्टेज बनाए रखने के लिए एक निश्चित आवृत्ति का उपयोग करता है। मूल डिजाइन की खामियों को दूर करने के लिए डिजाइनर लगातार सुधार कर रहे हैं।

चित्रा 1 एक बुनियादी बंद लूप वोल्टेज मोड नियंत्रण (वीएमसी) प्रणाली का एक ब्लॉक आरेख है। पावर स्टेज में एक पावर स्विच और एक आउटपुट फिल्टर होता है। मुआवजा ब्लॉक में एक आउटपुट वोल्टेज विभक्त, एक त्रुटि एम्पलीफायर, एक संदर्भ वोल्टेज, और एक लूप मुआवजा घटक शामिल है। एक पल्स चौड़ाई मॉड्यूलेटर (पीडब्लूएम) एक आउटपुट पल्स अनुक्रम उत्पन्न करने के लिए त्रुटि सिग्नल की तुलना एक निश्चित रैंप सिग्नल से करने के लिए एक तुलनित्र का उपयोग करता है जो त्रुटि सिग्नल के आनुपातिक है।

हालांकि वीएमसी सिस्टम के विभिन्न भारों में सख्त आउटपुट नियम हैं और बाहरी घड़ी के साथ सिंक्रनाइज़ करना आसान है, मानक वास्तुकला में कुछ कमियां हैं। लूप मुआवजा नियंत्रण लूप की बैंडविड्थ को कम करता है और क्षणिक प्रतिक्रिया को धीमा कर देता है; त्रुटि एम्पलीफायर ऑपरेटिंग करंट को बढ़ाता है और दक्षता को कम करता है।

निरंतर ऑन-टाइम (सीओटी) नियंत्रण योजना लूप मुआवजे के बिना अच्छा क्षणिक प्रदर्शन प्रदान करती है। सीओटी नियंत्रण विनियमित आउटपुट वोल्टेज की तुलना संदर्भ वोल्टेज से करने के लिए एक तुलनित्र का उपयोग करता है: जब आउटपुट वोल्टेज संदर्भ वोल्टेज से कम होता है, तो एक निश्चित ऑन-टाइम पल्स उत्पन्न होता है। कम कर्तव्य चक्रों में, यह स्विचिंग आवृत्ति बहुत अधिक होने का कारण बनता है, इसलिए अनुकूली सीओटी नियंत्रक एक ऑन-टाइम उत्पन्न करता है जो इनपुट और आउटपुट वोल्टेज के साथ बदलता रहता है, जो आवृत्ति को स्थिर स्थिति में लगभग स्थिर रखता है। टेक्सास इंस्ट्रूमेंट की डी-सीएपी टोपोलॉजी अनुकूली सीओटी दृष्टिकोण पर एक सुधार है: डी-सीएपी नियंत्रक फीडबैक तुलनित्र इनपुट में एक रैंप वोल्टेज जोड़ता है, जो अनुप्रयोग में शोर बैंड को कम करके जिटर प्रदर्शन में सुधार करता है। चित्र 2 सीओटी और डी-सीएपी सिस्टम की तुलना है।

चित्रा 2: मानक सीओटी टोपोलॉजी (ए) और डी-सीएपी टोपोलॉजी (बी) (स्रोत: टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स) की तुलना विभिन्न जरूरतों के लिए डी-सीएपी टोपोलॉजी के कई अलग-अलग प्रकार हैं। उदाहरण के लिए, TPS53632 हाफ-ब्रिज PWM कंट्रोलर D-CAP+ आर्किटेक्चर का उपयोग करता है, जो मुख्य रूप से उच्च-वर्तमान अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है और 48V से 1V POL कन्वर्टर्स में 92% तक की क्षमता के साथ 1MHz तक पावर स्तर चला सकता है।

D-CAP के विपरीत, D-CAP+ फीडबैक लूप एक घटक जोड़ता है जो सटीक ड्रॉप नियंत्रण के लिए प्रेरित धारा के समानुपाती होता है। बढ़ी हुई त्रुटि एम्पलीफायर विभिन्न प्रकार की लाइन और लोड स्थितियों के तहत डीसी लोड की सटीकता में सुधार करती है।

नियंत्रक का आउटपुट वोल्टेज आंतरिक डीएसी द्वारा निर्धारित किया जाता है। यह चक्र तब शुरू होता है जब वर्तमान प्रतिक्रिया त्रुटि वोल्टेज स्तर तक पहुंच जाती है। यह त्रुटि वोल्टेज डीएसी सेट बिंदु वोल्टेज और प्रतिक्रिया आउटपुट वोल्टेज के बीच प्रवर्धित वोल्टेज अंतर से मेल खाती है।

चरण 2: लाइट लोड स्थितियों के तहत प्रदर्शन में सुधार करें

पोर्टेबल और पहनने योग्य उपकरणों के लिए, बैटरी जीवन को बढ़ाने के लिए हल्के लोड की स्थिति में प्रदर्शन में सुधार करने की आवश्यकता है। कई पोर्टेबल और पहनने योग्य एप्लिकेशन कम-शक्ति "अस्थायी नींद" या "स्लीप" स्टैंडबाय मोड में होते हैं, ज्यादातर समय, केवल उपयोगकर्ता इनपुट या आवधिक माप के जवाब में सक्रिय होते हैं, इसलिए स्टैंडबाय मोड में बिजली की खपत को कम करें। यह सर्वोच्च प्राथमिकता है।

डीसीएस-कंट्रोलटीएम (डायरेक्ट कंट्रोल टू सीमलेस ट्रांजिशन टू एनर्जी सेवर मोड) टोपोलॉजी तीन अलग-अलग नियंत्रण योजनाओं (यानी, हिस्टैरिसीस मोड, वोल्टेज मोड और करंट मोड) के फायदों को जोड़ती है ताकि हल्के लोड की स्थिति में प्रदर्शन में सुधार हो सके, विशेष रूप से या जब संक्रमण प्रकाश भार राज्य छोड़कर। यह टोपोलॉजी मध्यम और भारी भार के लिए पीडब्लूएम मोड के साथ-साथ हल्के भार के लिए पावर सेविंग मोड (पीएसएम) का समर्थन करती है।

पीडब्लूएम ऑपरेशन के दौरान, सिस्टम इनपुट वोल्टेज के आधार पर अपनी रेटेड स्विचिंग आवृत्ति पर काम करता है और आवृत्ति परिवर्तन को नियंत्रित करता है। यदि लोड करंट कम हो जाता है, तो कनवर्टर उच्च दक्षता बनाए रखने के लिए PSM पर स्विच करता है जब तक कि यह बहुत हल्का लोड न हो जाए। पीएसएम में, स्विचिंग आवृत्ति लोड करंट के साथ रैखिक रूप से घट जाती है। दोनों मोड एकल नियंत्रण ब्लॉक द्वारा नियंत्रित होते हैं, इसलिए पीडब्लूएम से पीएसएम में संक्रमण निर्बाध है और आउटपुट वोल्टेज को प्रभावित नहीं करता है।

चित्र 3 DCS-ControlTM का एक ब्लॉक आरेख है। कंट्रोल लूप आउटपुट वोल्टेज में बदलाव के बारे में जानकारी लेता है और इसे सीधे फास्ट तुलनित्र को वापस फीड करता है। तुलनित्र स्विचिंग आवृत्ति (स्थिर-राज्य परिचालन स्थितियों के लिए स्थिर के रूप में) सेट करता है और गतिशील लोड परिवर्तनों के लिए तत्काल प्रतिक्रिया प्रदान करता है। वोल्टेज फीडबैक लूप डीसी लोड को सटीक रूप से नियंत्रित करता है। आंतरिक रूप से मुआवजा विनियमन नेटवर्क छोटे बाहरी घटकों और कम ईएसआर कैपेसिटर के साथ तेज और स्थिर संचालन को सक्षम बनाता है।

चित्र 3: TPS62130 हिरन कनवर्टर में DCS-ControlTM टोपोलॉजी का कार्यान्वयन (स्रोत: टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स)

TPS6213xA-Q1 सिंक्रोनस स्विचिंग पावर कन्वर्टर DCS-ControlTM टोपोलॉजी पर आधारित है और उच्च शक्ति घनत्व POL अनुप्रयोगों के लिए अनुकूलित है। ठेठ 2.5 मेगाहर्ट्ज स्विचिंग आवृत्ति छोटे प्रेरकों के उपयोग की अनुमति देती है और तेजी से क्षणिक प्रतिक्रिया और उच्च आउटपुट वोल्टेज सटीकता प्रदान करती है। TPS6213 3V से 17V की इनपुट वोल्टेज रेंज से संचालित होता है और 0.9V और 6V आउटपुट वोल्टेज के बीच 3A तक निरंतर करंट डिलीवर कर सकता है।