Brauchen Sie einen interleaved DC-DC-Wandler?

Erstellt: April 29, 2022
Aktualisiert am: Juli 1, 2024

Nicht alle Designer sind Energieanlageningenieure, aber es lohnt sich dennoch, etwas über die verschiedenen Möglichkeiten zum Bau von hocheffizienten Stromwandlern zu wissen. Dazu gehören AC-DC- und DC-DC-Umwandlung, Wechselrichter, PFC-Schaltungen und viele andere Geräte für die Stromumwandlung und -effizienz. Auch wenn die meisten Designer vielleicht keine Stromversorgungen von Grund auf neu bauen, müssen sie diese dennoch auswählen und verstehen, wie sie in größere Systeme integriert werden, einschließlich Systemen, die möglicherweise mit dem Stromnetz interagieren.

Mit dem jüngsten Fokus auf erneuerbare Energien und deren Integration in das bestehende Stromnetz, insbesondere in den USA, könnten mehr Designer den Wechsel zu intelligenter Infrastruktur und Leistungselektronik vollziehen. Die Stromumwandlung ist ein wichtiger Teil dieser Integration, und fortschrittliche Stromwandlerdesigns werden sicherlich stark nachgefragt sein, da die elektrischen Netze modernisiert werden.

Ein wichtiger Typ von Schaltwandler, den Designer kennen sollten, ist ein verzahnter DC-DC-Wandler. Dieser Wandler verwendet eine einfache Idee, um eine hocheffiziente DC-DC-Umwandlung zu gewährleisten, ist aber einzigartig anpassbar an Bedingungen in einem erneuerbaren Netz, einem Fahrzeug mit mehreren Batterien und komplexen Systemen mit unabhängigen Lasten. Diese Wandler können als großes System aus mehreren Wandlerstufen konstruiert werden, aber es gibt auch kleine Wandler als integrierte Schaltkreise. Wenn Sie sich entscheiden, diese Wandler-Topologie in Ihrem nächsten System zu verwenden, lesen Sie weiter, um über deren Funktion und einige Best Practices für die Komponentenauswahl zu erfahren.

Was ist ein verzahnter DC-DC-Wandler?

Ein DC-DC-Wandler wird normalerweise mit einer spezifischen Topologie betrieben, wenn er mit einer bestimmten DC-Quelle interagiert. Der Eingang wird an einen 1. Stufenwandler weitergeleitet, normalerweise um die Spannung zu reduzieren und die Leistung an einen Bus auszugeben. Der 2. Stufenwandler nimmt Leistung vom Ausgangsbus der 1. Stufe auf, und er könnte je nach Bedarf in diesem Abschnitt des PDN hoch- oder herunterwandeln. In den Designs, die wir bauen, verwenden wir einen Schaltwandler als ersten Stufenwandler, dann möglicherweise einen kleinen LDO-Regler-IC, um noch einmal auf niedrigere Logikpegel herunterzuregeln. Dies ergibt die Art von Topologie, die im Bild unten gezeigt wird:

In der oben genannten Topologie haben wir einen Einzeleingang-Einzelausgang (SISO)-Wandler, der dann mit einem nachgeschalteten SISO-Wandler verbunden wird, und so weiter. Dies erstreckt sich normalerweise über 2 oder 3 Stufen, um die Spannung auf verschiedene Logikpegel von einem geregelten oder ungeregelten DC-Eingang herunterzuregeln, und der DC-IN-Block könnte von einer Gleichrichterbrücke versorgt werden.

Was passiert, wenn wir mehrere isolierte Lasten, mehrere Quellen oder beides haben? Hier kommt das Verzahnen ins Spiel.

MIMO, MISO oder SIMO mit Verzahnung

Das Verschachteln ist eine Technik, bei der mehrere Wandlerstufen mit einer einzigen Stromquelle verwendet werden, um mehrere Lasten zu versorgen, mit mehreren Stromquellen, um eine einzelne Last zu versorgen, oder eine Mischung aus beidem. Ein verschachtelter DC-DC-Wandler verwendet mehrere parallel geschaltete Schaltwandlerstufen, die an einen Eingangs- und Ausgangsbus angeschlossen sind. Es gibt drei allgemeine Topologien, die bei verschachtelten DC-DC-Wandlern verwendet werden:

  • Single-input multiple-output (SIMO): Dies ist wahrscheinlich die am häufigsten verwendete Art von verschachteltem DC-DC-Wandler. Eine einzelne Quelle versorgt mehrere Wandlerstufen parallel auf einem einzigen Bus. Jede Wandlerstufe speist ihre eigene Last mit Ausgangsleistung, die von den übrigen Lasten am Ausgangsbus galvanisch isoliert sein kann.

  • Multiple-input single-output (MISO): Dies ist das Gegenteil eines SIMO verschachtelten DC-DC-Wandlers. Diese Wandler arbeiten mit mehreren Stromquellen, wobei die Stromquellen im Allgemeinen unabhängig voneinander sind und nicht denselben Eingangsbus teilen. Der Ausgangsbus wird gemeinsam genutzt, da alle Wandler Leistung für eine einzelne Last liefern.

  • Multiple-input multiple-output (MIMO): Dies sind wahrscheinlich die komplexesten verschachtelten DC-DC-Wandler, aber es ist der Standardtyp von Wandler, der in einem Batterieladegerät in Solaranlagen verwendet wird. Mehrere Quellen sind mit mehreren Leistungsstufen verschachtelt, die dann Leistung an mehrere Lasten teilen können.

Aus der obigen Liste gibt es zwei klare Situationen, in denen Sie einen verschachtelten Wandler benötigen könnten. Erstens müssen Sie möglicherweise Strom aus mehreren Quellen beziehen, die jeweils eine andere Spannung haben und jeweils unterschiedliche Hoch- oder Heruntersetzungsfaktoren benötigen. Zweitens müssen Sie möglicherweise mehrere Lasten mit sehr unterschiedlichen Impedanzen versorgen. Das Platzieren einer Last mit niedriger Impedanz am Ausgangsbus eines SISO-Wandlers kann dazu führen, dass der Wandler in den diskontinuierlichen Leitungsmodus übergeht, aber das Isolieren dieser Last zu ihrer eigenen Wandlerstufe hilft Ihnen, den diskontinuierlichen Betrieb für alle anderen Lasten zu vermeiden.

Das Ziel des Verschachtelns

Ich habe oben bereits erwähnt, dass der kontinuierliche Leitungsmodus sichergestellt werden soll, aber es geht um mehr als nur darum, in diesem Modus zu arbeiten. Es gibt Beispiele für Wandler, die vollständig im diskontinuierlichen Modus arbeiten. Der ganze Punkt hinter dem Verschachteln ist einfach: die Welligkeit im gelieferten Strom zu reduzieren. Dies wird erreicht, indem die Phasen der schaltenden PWM-Signale versetzt werden, wie im folgenden Beispiel gezeigt.

In diesem Beispiel haben wir 2 gleichwertige Induktoren, und die an die Leistungs-MOSFETs in jeder Stufe des Wandlers gesendeten PWM-Signale sind um 90 Grad phasenverschoben (Diagramme beschriftet mit Q1 und Q2). Hier ist der gesamte in die Schaltung gezogene Strom und der an den Ausgang gelieferte Strom die Summe der Ströme in den Ausgangsinduktoren. Aus der Addition dieser beiden Kurven im unteren Diagramm können wir sehen, wie der Gesamtstrom im Vergleich zu einer der Kurven allein eine viel geringere Welligkeit aufweisen wird.

Aus dem obigen Diagramm können Sie zwei Auswirkungen auf den in den Wandler gezogenen Strom und auf die an die Lastkomponenten gelieferte Leistung ableiten:

  • Am Eingang eines SIMO-Wandlers: Die Phasendifferenz im Induktorstrom führt dazu, dass der gesamte vom Quellgerät aufgenommene Strom glatter wird. Da der Gesamtstrom auf jeden Ausgang aufgeteilt wird, hat jeder Ausgangsstrom einen um den Faktor N geringeren Ripple.

  • Am Ausgang eines MISO-Wandlers: Die Phasendifferenz bewirkt nun, dass der an Ihre einzelne Last gelieferte Strom einen geringeren Ripple aufweist. Die einzelnen am Eingang gezogenen Ströme sind um den Faktor N geringer.

 

Aus diesem Grund werden diese Systeme manchmal als „Mehrphasen-Stromwandler“ bezeichnet, da Sie mehrere Stufen haben, die PWM-Signale mit unterschiedlichen Phasen verwenden. Diese PWM-Signale können mit einer Masteruhr synchronisiert werden, und es wird ihnen individuell eine Phase hinzugefügt, möglicherweise in einem PWM-Gatetreiber für die Schaltstufe.

Leistungsfaktorkorrektur

Wenn Ihr Wandler an Wechselstrom angeschlossen wird (entweder als Quelle oder als Last), werden Sie wahrscheinlich mit einem hohen Strom arbeiten müssen, der eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC)-Schaltung erfordert. Genau wie DC-DC-Wandler mit einer verschachtelten Topologie entworfen werden können, so kann auch der PFC-Abschnitt. Mit anderen Worten, eine PFC-Schaltung kann auf jede Wandlerstufe angewendet werden, was eine einfache Möglichkeit bietet, harmonische Verzerrungen zu entfernen. Dies würde dem im nächsten Abschnitt gezeigten Blockdiagramm folgen.

Komponentenauswahl für verschachtelte DC-DC-Wandler

In dem oben genannten Beispiel habe ich kein spezifisches Schaltbild gezeigt, weil Sie Verschachtelung mit jeder der standardmäßigen Schaltwandler-Topologien implementieren können. Nur als Beispiel betrachten Sie das untenstehende Blockdiagramm. Es gibt einen PFC-Abschnitt, der mehrere Eingänge aufnehmen kann, und der PFC-Abschnitt verbindet sich mit mehreren Wandlern am Ausgang. Die Wandlerabschnitte können in jeder der standardmäßigen Schaltregler-Topologien sein und mit einem typischen PWM-Treiber/Controller betrieben werden. Beispiele für einige mehrkanalige PFC/Controller-Komponenten werden im nächsten Abschnitt gezeigt.

Bis heute gibt es keinen vollständig integrierten verschachtelten DC-DC-Wandler. Es gibt jedoch, wie bei anderen Reglerkomponenten, eine Reihe von ICs, die Sie als Hauptcontroller/Treiber für einen verschachtelten Schaltregler mit Standardtopologie verwenden können. Wenn Sie bereit sind, mit dem Entwurf eines verschachtelten DC-DC-Wandlers zu beginnen, sollten Sie diese Beispielkomponenten in Betracht ziehen. Diese Komponenten können Ihnen eine gute Grundlage für ein neues Design geben, und die unten präsentierten Anwendungsschaltungen sollten schön illustrieren, wie verschachtelte Schaltungen aufgebaut sind.

Texas Instruments, LM5032

Der LM5032 von Texas Instruments ist ein dualer, interleaved PWM-Treiber für DC-DC-Leistungsumwandlungsanwendungen. Das Gerät akzeptiert eine DC-Leistung von 36 V bis 75 V und erhöht oder verringert die Ausgangsspannung mit zwei PWM-Treibersignalen. Diese PWM-Treibersignale können MOSFETs in einem Standard-Leistungswandlerkreis auf der Ausgangsseite mit programmierbarer Frequenz bis zu 2 MHz schalten. Der weite Eingangsspannungsbereich macht diese Komponente anwendbar auf EV/HEV-Energiemanagementsysteme für das Laden/Entladen von Batterien. Weitere Anwendungsbereiche umfassen industrielle Systeme und Telekommunikationssysteme.

Texas Instruments, TPS40322Der TPS40322 von Texas Instruments ist ein dualphasiger Buck-Konverter-Treiber/Controller, der in Interleaving-Anwendungen verwendet werden kann. Dieser Controller kann Wirkungsgrade von über 90% über den gesamten Eingangsspannungsbereich bieten. Die Ausgangsspannung kann mit passiven Bauteilen an 3 Pins konfiguriert werden, und ein externer Strombegrenzungswiderstand kann verwendet werden, um den gewünschten Überstromschutz einzustellen. Zielanwendungen umfassen Niederspannungs-Netzwerkgeräte und andere Produkte, die in kleinen Datenzentren zu finden sind.

ON Semiconductor, FAN9672

Der FAN9672 von ON Semiconductor ist ein 2-Kanal-interleaved PFC-Controller, der zur Unterstützung von Leistungswandlern konzipiert ist, die sich mit dem Stromnetz verbinden. Das unten gezeigte Beispielanwendungsschaltbild illustriert eine Standardanwendung mit einem Gleichrichtungsabschnitt und einem EMI-Filter, gefolgt von zwei Wandlerstufen, die jeweils einen externen Treiberkreis haben. Beispielanwendungen reichen von HVAC-Geräten bis zu Datenzentren, Telekommunikations- und Industrieprodukten.

Weitere Komponenten für interleaved Stromsysteme

Einer der großen Vorteile der Arbeit mit einer interleaved DC-DC-Wandler-Topologie ist, dass die Filterkomponenten, die Sie im Design verwenden können, viel kleiner sein können. Dies bezieht sich nicht nur auf ihre Komponentenwerte, sondern auch auf ihre physische Größe. Der Ripple-Strom am Ausgang ist dank der Interleaving-Strategie natürlich niedriger, sodass Sie keine größeren Kondensatoren und Induktoren verwenden müssen, um den Gesamtrippel zu reduzieren.

Da Sie viele andere Komponenten benötigen, um ein interleaved Stromsystem zu unterstützen, haben wir unten eine Liste zusammengestellt, um Ihnen den Einstieg zu erleichtern. Die Bandbreite der Leistungselektronikkomponenten ist bereits groß, und viele davon können für die Verwendung in interleaved Leistungswandlern angepasst werden. Einige andere wichtige Komponenten, die Sie benötigen könnten, umfassen:

Wenn Sie bereit sind, einen interleaved DC-DC-Wandler zu bauen, können Sie diese und andere wichtige Komponenten mit den fortgeschrittenen Such- und Filterfunktionen in Octopart finden. Die Suchmaschinenfunktionen für Elektronik in Octopart geben Ihnen Zugang zu aktualisierten Distributorenpreisdaten, Teilebeständen, Teilespezifikationen und CAD-Daten, und das alles ist frei zugänglich in einer benutzerfreundlichen Schnittstelle. Werfen Sie einen Blick auf unsere Seite mit integrierten Schaltkreisen, um die benötigten Komponenten zu finden.

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