Вам Нужен Перекрестный DC-DC Конвертер?

Создано: 29 Апреля, 2022
Обновлено: 1 Июля, 2024

Не все дизайнеры являются инженерами по энергосистемам, но знание различных способов создания высокоэффективных преобразователей мощности всё же важно. Это включает в себя преобразование AC-DC и DC-DC, инверторы, схемы коррекции коэффициента мощности (PFC) и множество другого оборудования для преобразования мощности и повышения эффективности. Хотя большинство дизайнеров, возможно, не будут создавать источники питания с нуля, им всё равно нужно будет выбирать их и понимать, как интегрировать их в более крупные системы, включая системы, которые могут взаимодействовать с электросетью.

С недавним акцентом на возобновляемую энергию и её интеграцию в существующую электросеть, особенно в США, больше дизайнеров, возможно, перейдут на умную инфраструктуру и электронику мощности. Преобразование мощности является важной частью этой интеграции, и продвинутые конструкции преобразователей мощности, безусловно, будут востребованы по мере модернизации электросетей.

Одним из важных типов коммутируемых преобразователей, о которых должны знать дизайнеры, является чередующийся DC-DC преобразователь. Этот тип преобразователя использует простую идею для обеспечения высокоэффективного преобразования DC-DC, но он уникально адаптируется к условиям в возобновляемой сети, транспортном средстве с несколькими батареями и сложным системам с независимыми нагрузками. Эти преобразователи могут быть построены как большая система из нескольких ступеней преобразования, но также доступны и маленькие преобразователи в виде интегральных схем. Если вы решите использовать эту топологию преобразователя в вашей следующей системе, продолжайте читать, чтобы узнать о его функции и о некоторых лучших практиках выбора компонентов.

Что такое чередующийся DC-DC преобразователь?

DC-DC преобразователь обычно работает с определенной топологией при взаимодействии с некоторым входным источником постоянного тока. Вход подается на преобразователь 1-й ступени, обычно для понижения напряжения и выходной мощности на шину. Преобразователь 2-й ступени берет мощность с выходной шины 1-й ступени, и он может преобразовывать вверх или вниз в зависимости от потребностей в этом разделе PDN. В конструкциях, которые мы строим, мы будем использовать коммутируемый преобразователь в качестве преобразователя первой ступени, а затем, возможно, маленький регулятор напряжения LDO IC для дальнейшего понижения до более низких уровней логики. Это дает вам тип топологии, показанный на изображении ниже:

В приведенной выше топологии у нас есть преобразователь с одним входом и одним выходом (SISO), который затем подключается к последующему преобразователю SISO и так далее. Обычно это охватывает 2 или 3 стадии для понижения напряжения до различных логических уровней от регулируемого или нерегулируемого входа постоянного тока, и блок DC IN может быть подключен через мостовой выпрямитель.

Что произойдет, если у нас есть несколько изолированных нагрузок, несколько источников или и то, и другое? Вот где на сцену выходит чередование.

MIMO, MISO или SIMO с чередованием

Переплетение - это техника, при которой используются несколько ступеней преобразования с одним источником питания для питания нескольких нагрузок, с несколькими источниками питания для питания одной нагрузки или некоторой комбинацией этих вариантов. Переплетенный DC-DC преобразователь использует несколько ступеней коммутационного преобразования, подключенных параллельно к входной и выходной шине. Существует три общие топологии, используемые в переплетенных DC-DC преобразователях:

  • Одиночный вход, множественный выход (SIMO): Это, вероятно, наиболее распространенный тип переплетенного DC-DC преобразователя. Один источник питает несколько ступеней преобразования параллельно на одной шине. Каждая ступень преобразования подает выходную мощность на свою собственную нагрузку, которая может быть гальванически изолирована от остальных нагрузок на выходной шине.

  • Множественный вход, одиночный выход (MISO): Это обратное SIMO переплетенному DC-DC преобразователю. Эти преобразователи работают с несколькими источниками питания, где источники питания, как правило, независимы друг от друга и не делят одну и ту же входную шину. Выходная шина общая в том смысле, что все преобразователи обеспечивают питание одной нагрузке.

  • Множественный вход, множественный выход (MIMO): Это, вероятно, самые сложные переплетенные DC-DC преобразователи, но это стандартный тип преобразователя, используемый в зарядных устройствах для солнечных батарей. Несколько источников переплетены с несколькими ступенями питания, которые могут затем делить мощность на несколько нагрузок.

Из вышеперечисленного списка есть две ясные ситуации, когда вам может потребоваться переплетенный преобразователь. Во-первых, вам может потребоваться получать питание от нескольких источников, каждый с разным напряжением и каждый требующий разных коэффициентов повышения или понижения. Во-вторых, вам может потребоваться питать несколько нагрузок с очень разными импедансами. Подключение нагрузки с низким импедансом к выходной шине от преобразователя SISO может привести к тому, что преобразователь войдет в режим прерывистой проводимости, но изоляция этой нагрузки на своей собственной ступени преобразования помогает избежать прерывистой работы для всех остальных нагрузок.

Цель переплетения

Как я упоминал выше, обеспечение работы в режиме непрерывной проводимости важно, но в этом есть больше, чем просто обеспечение работы в этом режиме. Есть примеры преобразователей, которые работают полностью в режиме прерывистой проводимости. Вся суть переплетения проста: уменьшить пульсации в подаваемом токе. Это достигается за счет смещения фаз коммутирующих сигналов ШИМ, как показано в примере ниже.

В этом примере у нас есть 2 равных индуктора, и сигналы ШИМ, отправленные на силовые МОП-транзисторы на каждой ступени преобразователя, сдвинуты по фазе на 90 градусов (графики обозначены Q1 и Q2). Здесь общий ток, втекающий в схему и подаваемый на выход, является суммой токов в выходных индукторах. Сложив эти две кривые на нижнем графике, мы можем видеть, как общий ток будет иметь гораздо меньшие пульсации по сравнению с любой из кривых в отдельности.

Из приведенного выше графика вы можете сделать вывод о двух эффектах на ток, втекающий в преобразователь и подаваемый на компоненты нагрузки:

  • На входе в SIMO-преобразователь: Разность фаз в токе индуктора приводит к тому, что общий ток, потребляемый от источника, становится более плавным. Поскольку общий ток распределяется на каждый выход, ток каждого выхода имеет в N раз меньше пульсаций.

  • На выходе в MISO-преобразователь: Теперь разность фаз приводит к тому, что ток, подаваемый на вашу единственную нагрузку, имеет меньше пульсаций. Отдельные токи, потребляемые на входе, меньше на величину, в N раз уменьшающую пульсации.

 

По этой причине эти системы иногда называют «многофазными преобразователями мощности», поскольку вы имеете несколько стадий, использующих сигналы ШИМ с разными фазами. Эти сигналы ШИМ могут быть синхронизированы с главными часами, и к ним индивидуально добавляется фаза, возможно, в драйвере ворот ШИМ для коммутационной стадии.

Коррекция коэффициента мощности

Если ваш преобразователь будет подключен к сети переменного тока (как источник или нагрузка), скорее всего, вам придется работать с достаточно высоким током, чтобы потребовалась схема коррекции коэффициента мощности (PFC). Так же, как и DC-DC преобразователи могут быть спроектированы с чередующейся топологией, так и секция PFC. Другими словами, схема PFC может быть применена к каждой стадии преобразователя, предоставляя простой способ устранения гармонических искажений. Это будет следовать блок-схеме, показанной в следующем разделе.

Выбор компонентов для чередующихся DC-DC преобразователей

В приведенном выше примере я не показал конкретную схему, потому что чередование можно реализовать с любой из стандартных топологий коммутационных преобразователей. Как пример, рассмотрим блок-схему ниже. Есть секция PFC, которая может принимать несколько входов, и секция PFC соединяется с несколькими преобразователями на выходе. Секции преобразователей могут быть в любой из стандартных топологий коммутационных регуляторов и управляться с помощью типичного драйвера/контроллера ШИМ. Примеры некоторых многоканальных компонентов PFC/контроллера будут показаны в следующем разделе.

На сегодняшний день не существует полностью интегрированного чередующегося DC-DC преобразователя. Однако, как и другие компоненты регуляторов, существует ряд микросхем, которые вы можете использовать в качестве основного контроллера/драйвера для чередующегося коммутационного регулятора со стандартной топологией. Если вы готовы начать проектирование чередующегося DC-DC преобразователя, рассмотрите эти примеры компонентов. Эти компоненты могут дать вам хорошую базу для нового дизайна, а приведенные ниже схемы приложений наглядно покажут, как строятся чередующиеся схемы.

Texas Instruments, LM5032

LM5032 от Texas Instruments - это двойной чередующийся драйвер ШИМ для приложений преобразования мощности постоянного тока в постоянный. Устройство принимает постоянное напряжение от 36 В до 75 В и повышает или понижает выходное напряжение с помощью двух сигналов управления ШИМ. Эти сигналы драйвера ШИМ могут переключать МОП-транзисторы в стандартной схеме преобразователя мощности на выходной стороне с программируемой частотой до 2 МГц. Широкий диапазон входного напряжения делает этот компонент применимым в системах управления мощностью ЭВ/ГЭВ для зарядки/разрядки батарей. Другие области применения включают промышленные системы и системы телекоммуникаций.

Texas Instruments, TPS40322The TPS40322 от Texas Instruments - это двухфазный драйвер/контроллер понижающего преобразователя, который может использоваться в приложениях с чередованием. Этот контроллер может обеспечивать эффективность более 90% на протяжении всего диапазона входного напряжения. Выходное напряжение может быть настроено с помощью пассивных элементов на 3 контактах, а с помощью внешнего резистора ограничения тока можно установить желаемую защиту от перегрузки по току. Целевые приложения включают оборудование для низковольтных сетей и другие продукты, используемые в небольших данных центрах.

ON Semiconductor, FAN9672

FAN9672 от ON Semiconductor - это 2-канальный чередующийся контроллер ККМ, предназначенный для поддержки преобразователей мощности, которые взаимодействуют с электрической сетью. Пример схемы приложения, показанный ниже, иллюстрирует стандартное приложение с секцией выпрямления и фильтром ЭМП, за которыми следуют две стадии преобразования, каждая из которых имеет внешнюю драйверскую схему. Примеры приложений варьируются от оборудования для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха до продуктов для данных центров, телекоммуникаций и промышленных изделий.

Другие компоненты для чередующихся систем питания

Одним из великих преимуществ работы с топологией чередующегося DC-DC преобразователя является то, что компоненты фильтрации, которые вы можете использовать в конструкции, могут быть гораздо меньше. Это касается не только их номинальных значений, но и физического размера. Ток пульсаций на выходе естественно ниже благодаря стратегии чередования, поэтому вам не нужно использовать большие конденсаторы и индукторы для уменьшения общих пульсаций.

Поскольку вам понадобится много других компонентов для поддержки чередующейся системы питания, мы составили ниже список, чтобы помочь вам начать. Ассортимент компонентов силовой электроники уже велик, и многие из них могут быть адаптированы для использования в чередующихся преобразователях мощности. Некоторые другие важные компоненты, которые вам могут понадобиться, включают:

Когда вы будете готовы собрать последовательный DC-DC преобразователь, вы сможете найти эти и другие важные компоненты, используя расширенный поиск и функции фильтрации на Octopart. Поисковая система для электроники на Octopart предоставляет доступ к актуальным данным о ценах дистрибьюторов, инвентаре компонентов, спецификациям деталей и CAD-данным, и всё это доступно в удобном пользовательском интерфейсе. Посмотрите нашу страницу с интегральными схемами, чтобы найти необходимые компоненты.

Оставайтесь в курсе наших последних статей, подписавшись на нашу рассылку.

 

Связанные ресурсы

Вернуться на главную
Thank you, you are now subscribed to updates.