Bạn Có Cần Một Bộ Chuyển Đổi DC-DC Ghép Nối Không?

Created: Tháng Tư 29, 2022
Updated: Tháng Bảy 1, 2024

Không phải tất cả các nhà thiết kế đều là kỹ sư hệ thống điện, nhưng việc biết một số thông tin về các cách xây dựng bộ chuyển đổi công suất hiệu quả cao vẫn là điều có ích. Điều này bao gồm chuyển đổi AC-DC và DC-DC, bộ đảo ngược, mạch PFC, và nhiều thiết bị khác cho chuyển đổi công suất và hiệu quả. Mặc dù hầu hết các nhà thiết kế có thể không tự xây dựng nguồn cung cấp điện từ đầu, họ vẫn cần phải chọn chúng và hiểu cách tích hợp chúng vào các hệ thống lớn hơn, bao gồm cả các hệ thống có thể tương tác với lưới điện.

Với sự chú trọng gần đây vào năng lượng tái tạo và việc tích hợp nó vào lưới điện hiện có, đặc biệt là ở Mỹ, nhiều nhà thiết kế có thể sẽ chuyển sang cơ sở hạ tầng thông minh và điện tử công suất. Chuyển đổi công suất là một phần quan trọng của việc tích hợp đó, và các thiết kế bộ chuyển đổi công suất tiên tiến chắc chắn sẽ được yêu cầu cao khi các lưới điện được hiện đại hóa.

Một loại bộ chuyển đổi chuyển mạch quan trọng mà các nhà thiết kế nên biết đến là bộ chuyển đổi DC-DC ghép nối. Loại bộ chuyển đổi này sử dụng một ý tưởng đơn giản để đảm bảo chuyển đổi DC-DC hiệu quả cao, nhưng nó có khả năng thích ứng độc đáo với điều kiện trong một lưới tái tạo, một phương tiện với nhiều ắc quy, và các hệ thống phức tạp với các tải độc lập. Những bộ chuyển đổi này có thể được xây dựng như một hệ thống lớn từ nhiều giai đoạn chuyển đổi, nhưng cũng có các bộ chuyển đổi nhỏ dưới dạng mạch tích hợp. Nếu bạn quyết định sử dụng cấu trúc bộ chuyển đổi này trong hệ thống tiếp theo của mình, hãy tiếp tục đọc để tìm hiểu về chức năng của nó và một số phương pháp tốt nhất cho việc chọn linh kiện.

Bộ chuyển đổi DC-DC ghép nối là gì?

Một bộ chuyển đổi DC-DC thường được vận hành với một cấu trúc cụ thể khi tương tác với một nguồn DC đầu vào cụ thể. Đầu vào được chuyển đến bộ chuyển đổi giai đoạn 1, thường để giảm điện áp và công suất đầu ra xuống một bus. Bộ chuyển đổi giai đoạn 2 lấy điện từ bus đầu ra của giai đoạn 1, và nó có thể chuyển lên hoặc xuống tùy thuộc vào nhu cầu trong phần đó của PDN. Trong các thiết kế mà chúng tôi xây dựng, chúng tôi sẽ sử dụng một bộ chuyển đổi chuyển mạch làm bộ chuyển đổi giai đoạn đầu tiên, sau đó có thể là một mạch tích hợp điều chỉnh LDO nhỏ để giảm điện áp một lần nữa xuống các mức logic thấp hơn. Điều này mang lại cho bạn loại cấu trúc như hình dưới đây:

Trong cấu trúc trên, chúng tôi có một bộ chuyển đổi đơn đầu vào đơn đầu ra (SISO), sau đó kết nối với một bộ chuyển đổi SISO ở hạ lưu, và cứ thế tiếp tục. Điều này thường kéo dài qua 2 hoặc 3 giai đoạn để giảm điện áp xuống các mức logic khác nhau từ một đầu vào DC được điều chỉnh hoặc không được điều chỉnh, và khối DC IN có thể được cung cấp bởi một cầu chỉnh lưu.

Điều gì xảy ra nếu chúng ta có nhiều tải cô lập, nhiều nguồn, hoặc cả hai? Đây là nơi mà ghép nối được áp dụng.

MIMO, MISO, hoặc SIMO Với Ghép Nối

Interleaving là một kỹ thuật sử dụng nhiều giai đoạn chuyển đổi với một nguồn điện duy nhất để cung cấp điện cho nhiều tải, với nhiều nguồn điện để cung cấp điện cho một tải duy nhất, hoặc một số kết hợp của những điều này. Bộ chuyển đổi DC-DC interleaved sử dụng nhiều giai đoạn chuyển đổi chuyển mạch song song kết nối với một bus đầu vào và đầu ra. Có ba kiểu cấu trúc chung được sử dụng trong bộ chuyển đổi DC-DC interleaved:

  • Đầu vào đơn - đầu ra nhiều (SIMO): Đây có lẽ là loại bộ chuyển đổi DC-DC interleaved phổ biến nhất. Một nguồn duy nhất cung cấp điện cho nhiều giai đoạn chuyển đổi song song trên một bus duy nhất. Mỗi giai đoạn chuyển đổi cung cấp điện năng ra cho tải của mình, có thể được cách ly galvanic với các tải còn lại trên bus đầu ra.

  • Đầu vào nhiều - đầu ra đơn (MISO): Đây là ngược lại với bộ chuyển đổi DC-DC interleaved SIMO. Các bộ chuyển đổi này hoạt động với nhiều nguồn điện, nơi các nguồn điện thường độc lập với nhau và không chia sẻ cùng một bus đầu vào. Bus đầu ra được chia sẻ ở chỗ tất cả các bộ chuyển đổi cung cấp điện cho một tải duy nhất.

  • Đầu vào nhiều - đầu ra nhiều (MIMO): Đây có lẽ là loại bộ chuyển đổi DC-DC interleaved phức tạp nhất, nhưng đây là loại bộ chuyển đổi tiêu chuẩn được sử dụng trong bộ sạc pin trong mảng năng lượng mặt trời. Nhiều nguồn được interleaved với nhiều giai đoạn công suất, có thể sau đó chia sẻ điện năng cho nhiều tải.

Từ danh sách trên, có hai tình huống rõ ràng mà bạn có thể cần có một bộ chuyển đổi interleaved. Đầu tiên, bạn có thể cần rút điện từ nhiều nguồn, mỗi nguồn ở một điện áp khác nhau, và mỗi nguồn yêu cầu các yếu tố tăng hoặc giảm khác nhau. Thứ hai, bạn có thể cần cung cấp điện cho nhiều tải với trở kháng rất khác nhau. Đặt một tải trở kháng thấp trên bus đầu ra từ một bộ chuyển đổi SISO có thể khiến bộ chuyển đổi chuyển sang chế độ dẫn không liên tục, nhưng cách ly tải này với giai đoạn chuyển đổi của riêng nó giúp bạn tránh được hoạt động không liên tục cho tất cả các tải khác.

Mục tiêu của Interleaving

Tôi đã đề cập ở trên về việc đảm bảo hoạt động chế độ dẫn liên tục, nhưng có nhiều hơn là đảm bảo bạn hoạt động trong chế độ này. Có những ví dụ về bộ chuyển đổi hoạt động hoàn toàn trong chế độ dẫn không liên tục. Điểm mấu chốt đằng sau interleaving đơn giản là: giảm sóng nhấp nhô trong dòng điện cung cấp. Điều này được thực hiện bằng cách lệch pha các tín hiệu PWM chuyển mạch, như được hiển thị trong ví dụ dưới đây.

Trong ví dụ này, chúng ta có 2 cuộn cảm bằng nhau, và các tín hiệu PWM gửi đến power MOSFETs ở mỗi giai đoạn của bộ chuyển đổi lệch pha nhau 90 độ (đồ thị được ghi nhãn Q1 và Q2). Tại đây, tổng dòng điện rút vào mạch và cung cấp cho đầu ra là tổng của các dòng điện trong các cuộn cảm đầu ra. Từ việc cộng hai đường cong này trong đồ thị dưới cùng, chúng ta có thể thấy tổng dòng điện sẽ có sóng nhấp nhô thấp hơn nhiều so với bất kỳ đường cong nào riêng lẻ.

Từ đồ thị trên bạn có thể suy ra hai tác động đối với dòng điện rút vào bộ chuyển đổi và cung cấp cho các thành phần tải:

  • Tại đầu vào của bộ chuyển đổi SIMO: Sự chênh lệch pha trong dòng điện cuộn cảm khiến tổng dòng điện rút từ nguồn trở nên mượt mà hơn. Bởi vì tổng dòng điện được chia cho từng đầu ra, mỗi dòng điện đầu ra có độ nhấp nhô thấp hơn với yếu tố N.

  • Tại đầu ra của bộ chuyển đổi MISO: Sự chênh lệch pha giờ đây khiến dòng điện cung cấp cho tải đơn của bạn có độ nhấp nhô thấp hơn. Các dòng điện cá nhân rút ra ở đầu vào thấp hơn với yếu tố N nhấp nhô thấp hơn.

 

Vì lý do này, những hệ thống này đôi khi được gọi là “bộ chuyển đổi điện đa pha” vì bạn có nhiều giai đoạn sử dụng tín hiệu PWM với các pha khác nhau. Những tín hiệu PWM này có thể được đồng bộ với một đồng hồ chính, và một pha được thêm vào chúng một cách riêng lẻ, có thể trong một trình điều khiển cổng PWM cho giai đoạn chuyển mạch.

Chỉnh Sửa Hệ Số Công Suất

Nếu bộ chuyển đổi của bạn sẽ kết nối với điện AC (dù là nguồn hay tải), bạn có thể sẽ làm việc với dòng điện đủ cao để cần một mạch chỉnh sửa hệ số công suất (PFC). Giống như bộ chuyển đổi DC-DC có thể được thiết kế với cấu trúc xen kẽ, phần PFC cũng vậy. Nói cách khác, một mạch PFC có thể được áp dụng cho mỗi giai đoạn chuyển đổi, cung cấp một cách đơn giản để loại bỏ méo hài. Điều này sẽ theo sơ đồ khối được trình bày trong phần tiếp theo.

Lựa Chọn Linh Kiện cho Bộ Chuyển Đổi DC-DC Xen Kẽ

Trong ví dụ trên, tôi chưa hiển thị một sơ đồ mạch cụ thể nào bởi vì bạn có thể thực hiện xen kẽ với bất kỳ cấu trúc chuyển đổi chuyển mạch tiêu chuẩn nào. Chỉ là một ví dụ, xem xét sơ đồ khối dưới đây. Có một phần PFC có thể chứa nhiều đầu vào, và phần PFC kết nối với nhiều bộ chuyển đổi ở đầu ra. Các phần chuyển đổi có thể ở bất kỳ cấu trúc điều chỉnh chuyển mạch tiêu chuẩn nào và được điều khiển bằng trình điều khiển/controller PWM tiêu chuẩn. Các ví dụ về một số linh kiện PFC/controller đa kênh sẽ được trình bày trong phần tiếp theo.

Đến nay, không có bộ chuyển đổi DC-DC xen kẽ nào được tích hợp hoàn toàn. Tuy nhiên, giống như các linh kiện điều chỉnh khác, có một số IC mà bạn có thể sử dụng làm trình điều khiển/driver chính cho một bộ điều chỉnh chuyển mạch xen kẽ với cấu trúc tiêu chuẩn. Nếu bạn đã sẵn sàng để bắt đầu thiết kế một bộ chuyển đổi DC-DC xen kẽ, hãy xem xét những linh kiện ví dụ này. Những linh kiện này có thể cung cấp cho bạn một cơ sở tốt cho một thiết kế mới, và các mạch ứng dụng được trình bày dưới đây sẽ minh họa đẹp cách xây dựng các mạch xen kẽ.

Texas Instruments, LM5032

LM5032 từ Texas Instruments là một trình điều khiển PWM song song kép cho các ứng dụng chuyển đổi công suất DC-DC. Thiết bị này chấp nhận nguồn điện DC từ 36 V đến 75 V và tăng hoặc giảm điện áp đầu ra với hai tín hiệu điều khiển PWM. Những tín hiệu điều khiển PWM này có thể chuyển đổi MOSFETs trong một mạch chuyển đổi công suất tiêu chuẩn ở phía đầu ra với tần số có thể lập trình lên đến 2 MHz. Phạm vi điện áp đầu vào rộng làm cho linh kiện này có thể áp dụng cho các hệ thống quản lý công suất EV/HEV cho việc sạc/phóng pin. Các lĩnh vực ứng dụng khác bao gồm hệ thống công nghiệp và hệ thống viễn thông.

Texas Instruments, TPS40322The TPS40322 từ Texas Instruments là một trình điều khiển/chuyển đổi buck hai pha có thể được sử dụng trong các ứng dụng xen kẽ. Bộ điều khiển này có thể cung cấp hiệu suất vượt trội hơn 90% trong suốt phạm vi điện áp đầu vào. Điện áp đầu ra có thể được cấu hình với các linh kiện thụ động trên 3 chân, và một điện trở giới hạn dòng ngoại vi có thể được sử dụng để thiết lập bảo vệ quá dòng mong muốn. Các ứng dụng mục tiêu bao gồm thiết bị mạng điện áp thấp và các sản phẩm khác được tìm thấy trong các trung tâm dữ liệu nhỏ.

ON Semiconductor, FAN9672

FAN9672 từ ON Semiconductor là một bộ điều khiển PFC xen kẽ 2 kênh được thiết kế để hỗ trợ các bộ chuyển đổi công suất kết nối với lưới điện. Mạch ứng dụng ví dụ dưới đây minh họa một ứng dụng tiêu chuẩn với một phần chỉnh lưu và một bộ lọc EMI, tiếp theo là hai giai đoạn chuyển đổi mỗi giai đoạn có một mạch điều khiển ngoại vi. Các ứng dụng ví dụ bao gồm thiết bị HVAC đến trung tâm dữ liệu, viễn thông và sản phẩm công nghiệp.

Các Linh Kiện Khác Cho Hệ Thống Điện Xen Kẽ

Một trong những lợi ích lớn khi làm việc với cấu trúc chuyển đổi DC-DC xen kẽ là bạn có thể sử dụng các linh kiện lọc nhỏ hơn nhiều. Điều này không chỉ đề cập đến giá trị của chúng, mà còn đề cập đến kích thước vật lý của chúng. Dòng điện dao động ở đầu ra tự nhiên thấp hơn nhờ vào chiến lược xen kẽ, vì vậy bạn không cần phải sử dụng các tụ điện và cuộn cảm lớn hơn để giảm tổng dòng điện dao động.

Vì bạn sẽ cần nhiều linh kiện khác để hỗ trợ một hệ thống điện xen kẽ, chúng tôi đã biên soạn một danh sách dưới đây để giúp bạn bắt đầu. Phạm vi các linh kiện điện tử công suất đã rất lớn, và nhiều trong số này có thể được thích ứng để sử dụng trong các bộ chuyển đổi công suất xen kẽ. Một số linh kiện quan trọng khác bạn có thể cần bao gồm:

Khi bạn sẵn sàng xây dựng một bộ chuyển đổi DC-DC xen kẽ, bạn sẽ có thể tìm thấy những linh kiện quan trọng này và các linh kiện khác bằng cách sử dụng các tính năng tìm kiếm và lọc nâng cao trên Octopart. Công cụ tìm kiếm điện tử trên Octopart cung cấp cho bạn quyền truy cập vào dữ liệu giá của nhà phân phối được cập nhật, hàng tồn kho, thông số kỹ thuật của linh kiện, và dữ liệu CAD, và tất cả đều dễ dàng truy cập trong một giao diện thân thiện với người dùng. Hãy xem trang mạch tích hợp của chúng tôi để tìm các linh kiện bạn cần.

Hãy cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.

 

Related Resources

Back to Home
Thank you, you are now subscribed to updates.