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开关电源提升效率和功率转换密度的解决方案资料下载

消耗积分:0 | 格式:pdf | 大小:296.77KB | 2021-04-20

刘敏

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作者:贸泽电子公司保罗·皮克林撰文 电力系统设计师正面临来自市场的持续压力,努力寻找充分利用可用功率的方法。 在便携式设备中,更高的效率将延长电池的使用寿命,使更多的功能可以被打包成更小的数据包。在服务器和基站中,更高的效率将节省基础设施(冷却系统)及运营的成本(电力账单)。 为此,系统设计者正在改进几个领域的能量转换过程,包括更高效的开关模式拓扑、打包创新、以及基于碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)的新半导体设备。 开关变换器拓扑改进 为充分利用可用功率,人们越来越多地采用基于交换而不是线性技术的设计。开关电源(SMPS)的有效功率高达90%以上。这延长了便携式系统的电池寿命,降低了大型装置的电力成本,并释放了原先用于散热部件的空间。 转至切换拓扑有一定的缺陷,其更复杂的设计形式要求具有多元化的技能。设计工程师必须熟悉模拟和数字技术、电磁学及闭环控制。印刷电路板(PCB)的设计者必须更加注意电磁干扰(EMI),因为高频开关波形会使敏感的模拟电路和射频电路产生问题。 开关电源转换的基本概念比晶体管的发明更早:例如,1910年发明的凯特式感应放电系统,其使用了机械振动器来执行汽车点火系统的回返推进转换器。 许多标准的拓扑已经存在了几十年,但这并不意味着工程师不会调整标准设计来适应新的应用程序,特别是控制循环。标准架构使用固定频率,在不同的负载条件下,通过反馈输出电压的一部分(电压模式控制)或控制感应电流(电流模式控制),保持恒定的输出电压。设计师们已经不断改进,以克服基本设计的缺陷。 图1:电压模式的降压转换器拓扑(来自:德州仪器) 图1是基本的闭环电压模式控制(VMC)系统的框图。功率级由电源开关和输出滤波器组成。补偿块包括输出电压分压器、误差放大器、电压参考和回路补偿元件。脉冲宽度调制器(PWM)使用比较器将错误信号与固定的斜面进行比较,产生与误差信号成比例的输出脉冲序列。 虽然VMC系统中,不同的负载皆有严格的输出规则,且易于同步到外部时钟,但标准架构有一些缺陷。循环补偿降低了控制回路的带宽,降低了瞬态响应的速度;错误放大器则增加了操作电流,降低了效率。 在不需要循环补偿的情况下,恒定导通时间(COT)控制方案提供了良好的瞬态性能。COT控制使用比较器,比较具有参考电压的缩放输出电压:当输出小于参考时,就会生成一个固定的定时脉冲。在低负载比条件下,这可能导致开关频率非常高,因此自适应COT控制器便会产生一个随输入和输出电压变化而变化的时间,而这在稳定状态下可以保持频率几乎不变。 德州仪器的 D-CAP 拓扑是对自适应COT方法的改进:D-CAP控制器在反馈比较器的输入中增加了一个斜坡电压。通过减少应用程序中的噪声频带,斜面改善了抖动性能。图2是COT和D-CAP系统的比较。 图2:标准COT拓扑(a)和D-CAP拓扑(b)的比较(来源:德州仪器) 针对不同的需求,D-CAP拓扑有几种不同的变体。例如,TPS53632半桥PWM控制器使用D-CAP 架构,其设计主要针对高电流的应用程序,可以在48V到1V的POL变换器中驱动高达1MHz的功率级,效率高达92%。 与D-CAP相反,D-CAP 反馈环增加了一个与感应电流成比例的部件,用于精确的下垂控制。在不同的线路和负载条件下,添加的错误放大器将提升DC负载的准确性。 控制器的输出电压由内部DAC设置。当电流反馈达到误差电压水平时,这个周期就会开始,与DAC设置点电压和反馈输出电压的放大差相对应。 在轻载荷条件下改善操作 对于移动和可穿戴设备,需要改善轻负荷条件下的性能,以延长电池运行时间。许多便携式和可穿戴应用程序将大部分时间用于低功率的备用“暂时休眠”或“睡眠”模式,只在响应用户输入或进行定期测量时才会激活,因此在待机模式中,尽量减少功率消耗是最优先考虑的事情。 DCS-控制™(无缝过渡直接控制到省电模式)拓扑结构综合了三种不同控制方案的优点,即迟滞模式、电压模式和电流模式,以在轻载条件下改善性能,特别是过渡至轻载状态或偏离轻载状态时。该拓扑支持中型和重型负载的PWM模式,以及用于轻负载的电源保存模式(PSM)。 在PWM操作过程中,系统根据输入电压,以其额定开关频率运行,并控制频率变化。如果负载电流降低,转换器就会切换到PSM,以保持高效率,直到降至较轻的负载。在PSM中,开关频率随负载电流线性降低。这两种模式都是单个控制块的功能,因此从PWM到PSM的转换是无缝的,不会影响输出电压。 图3是DCS-控制™块框图。控制回路获取关于输出电压变化的信息,并将其直接反馈给快速比较器。比较器设置了开关频率,它是稳态运行条件的常数,并对动态负载变化提供即时响应。电压反馈回路可以精确地调节DC负载。内部补偿调节网络以小外部组件和低ESR电容器便可以实现快速稳定的操作。 图3:DCS-控制™拓扑在TPS62130降压转换器中应用(来源:德州仪器) TPS6213xA-Q1同步开关电源转换器基于DCS-控制™拓扑,对高功率密度的POL应用程序进行了优化。典型的2.5MHz开关频率允许使用小型电感器,并能提供快速瞬态响应和高输出电压精度。TPS6213可以在3V到17V的输入电压范围内操作,并且可以在0.9V和6V之间输出高达3A的连续输出电流。 新的封装技术可以帮助设计师提高功率密度 另一种增加功率密度的方式是减小所需的PCB面积。其中一种方法便是将组件与DC / DC模块结合起来。来自德州仪器的MicroSiP和 MicroSiL电源模块,在电源转换器中集成了被动元件和集成电路(IC),其将IC嵌入到FR4薄片基板上,并在基材上安装电感器,以此集成为单个设备。 完全集成的MicroSiP 电源模块将IC和被动组件集成到一个最高集成级别的设备中。最小的模块使用BGA的格式,其占用面积不足7mm²。 图4: MicroSiP封装将集成电路嵌入到基片中,并将被动组件堆在顶部,以形成微型DC-DC转换器 (来源:德州仪器) MicroSiL设备集成了电源电感器和调节器IC,并使用了外部电容。该模块的引脚分配和轮廓类似于方形扁平无引脚封装(QFN)。例如,TPS82085功率模块是同步降压转换器,可以在3mm × 2.8mm 8针脚封装上传输3A的电流。 集成可以极大地减少内存占用,但是还需要权衡考量。例如,MicroSiP封装在控制器的顶部堆了电感器,并在PCB上安装组件。与离散设计相比,这些特性都提升了MicroSiP模块的高度。 设计最小占用面积还需要减小电感器的尺寸。线圈电感与其面积和转动次数成正比,所以在不改变电感的情况下,减少面积,就需增加使用的导线。更多的导线可以增加线圈的DC电阻。 超越硅的设计:碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)设备 更高的性能追求使得设计师们开始不断探索能超越硅的材料。以SiC和GaN制造的电力设备开始在一些电力应用中取代硅设备。这二者都是宽带宽(WBG)半导体的使用案例。 想必距您上一节固态物理课已有一段时间,我们先来了解一下固体。固体的能带隙用于衡量价带顶部和传到带底部之间的能量差(eV),是确定材料导电性的主要因素。 硅的能带隙为1.1eV,相比之下,WBG半导体的能带隙分别为3.3V (SiC) 和3.4V (GaN),因此,需要更多的能量将电子从价带传输到传导带。这对于电能半导体而言具有优势:与硅相比,WBG设备具有更低的电阻、更高的击穿电压、高级的反向恢复特性,并且可以在更高的开关频率上进行操作。 更高的开关频率允许使用更小的电容、电感器和变压器,其尺寸、重量和成本都大为节省。同时,DC-DC转换效率可以提升10%。 德州仪器公司最近发布了一款LMG5200,将WBG半导体与高级封装结合起来。LMG5200是半桥功率级,在一个QFN封装中集成了两个80V的GaN功率场效应管和一个高频GaN驱动程序。LMG5200将与现有产品(如TPS53632)进行配对,以服务各种应用程序,包括用于计算、工业和电信应用程序的同步降压转换器和48V POL转换器。 总结 提升效率和功率转换密度的解决方案需要一个多学科的方法,借鉴控制器设计、封装和半导体研究方面的专业知识。只有集各领域之所长,设计师才能满足许多应用领域的需求,这些领域从低功耗电池驱动的可穿戴设备和便携式设备,到高功率的电信交换机和数据中心等,范围十分广泛。 原文链接: (mbbeetchina)

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