הקדמה: למה Waveform Choice Matters in Power Supply Design

יעילות אספקת החשמל הפכה לפרמטר תכנון קריטי בתעשיות.ממרכזי נתונים המשתמשים ב- מגה-וואט לחיישנים מבוססי סוללות שפועלים על מיקרו-אמפ, תהליך ההמרה באנרגיה קובע עלויות תפעול, צרכי ניהול תרמיים ואמינות המערכת.בלב כל אספקת חשמל מעבר הוא החלטה בסיסית: הצורה והתזמון של גל המעבר שמניע את המוליכים למחצה של כוח.

מהנדסים רבים מתייחסים בתחילה לגליון המעבר כגל פשוט, אבל המציאות הרבה יותר מנוקמת.צורת Waveform משפיעה על אובדן התנהגות, החלפת הפסדים, דרישות נהיגה בשער, ואת התוכן הרמוני מוזרק למקור העומס והקלט. A גל מבוזר יכול לדחוף יעילות מעל 98% בעיצובים מתוחכמים, בעוד שבחירה גרועה עשויה לפסול 20% או יותר של אנרגיה קלט כמו מאמר זה מספק בדיקה מקיפה של שינויים באפקטים שונים, כולל שיטות הפעלה אופטיים אופטיים אופטיים, כולל יעילות מודרנית, כולל שיטות הפעלה.

מימון של העברת כוח אספקה

כדי להבין את ההשפעה הגלום, עלינו קודם לבדוק כיצד הרגולטור ממיר מתח.במגירה טיפוסית, אות בקרה הופך מ MOSFET על ומחוץ לתדירות גבוהה (בדרך כלל 100 kHz למספר MHz) כאשר מתג הוא על, זרמים נוכחיים דרך הממריץ, אחסון אנרגיה. כאשר מתג הוא כבוי, הפריצות באמצעות דיוור או סנכרון של מחזור (המחזור) על פני מחזור הפלט הכולל.

גל המעבר האידיאלי יהיה גל מרובע מושלם עם אפס עלייה וזמני נופל. בפועל, כל מעבר לוקח זמן סופי, שבמהלכו שניהם מתח ונוכחים נוכחים בו זמנית במחליף, גרימת החלפת אובדן.צורה של אות הכונן ואת המתח המתקבל / גלימות נוכחיות במעבר node נקבעים על ידי שילוב של הנהג, קפיות פרציטיות, הפריסה בducance, ונופתים מושלם, אבל לא ניתן לראות את הפלט מושלם.

סוגים של גלים משתנים והשלכות יעילותם

גל ריבוע טהור (Hard Switching)

המרירים המסתובבים של הארד-switch פועלים על ידי הפעלת מתג הכוח על ומחוצה לו בזמן מתח מלא וזרם הנוכחי הם נוכחים.הגל המתקבל יש קצוות חדים, עלייה מהירה וזמני נופל (<10 ns בתקני GaN המודרניים), ובדרך כלל מציג כמה overshoot בגלל אינדוקטי parasitic.החלפת גלי מרובע טהור מציעה את יעילות ההתנהגות הגבוהה ביותר כי מתג הוא לחלוטין על התנגדות (low) או מחוץ לאזור הליני גבוה), או מצמצם לחלוטין).

עם זאת, אובדן המעבר הוא משמעותי.במהלך כל סיבוב, המתח על פני טיפות מתג בזמן הנוכחי עולה, ובמהלך סיבוב, הזרם נופל בעוד מתח עולה.אזור החפיפה תחת עקומת המוצר הנוכחי מייצג אנרגיה מתפזרת למחזור.הפסדים Switching להגדיל באופן ליניארי עם תדירות, מה שהופך את המעבר קשה לא מעשי עבור עיצובים גבוהים מאוד (מעל 1 MHz) ביישומים גבוהים, נוסף דורש נזקי זרם נמוך יותר, ופורמי, אשר דורש נזקי מטושטשים לתוך צינורות חדים.

Sine Wave (Resonant & Quasi-Resonant)

שינויים סינסוריים של מעבר גלפור מיוצרים במגירים חוזרים שבו טנק LC מעצב את מתח מתג או זרם לתוך ליד-sinusoid. דוגמאות כוללות את ממיר ה- LLC resonant ואת הסדרה resonant להמיר. in אלה topogies, מתג פונה או כבוי ב- Zero מתח (ZVS) או אפס נוכחי (ZCS), צמצום באופן דרמטי של החלפתם החלקה של הסינוסים.

ה- Trading-off הוא הפסדים של התנהגות גבוהה יותר בשל הפצת זרמים במיכל ההתחדשות, והצורך בשליטה מורכבת יותר.בנוסף, גם מתח הפסגה או הלחץ הנוכחי על רכיבים יכול להיות גבוה יותר מאשר בגל מרובע קשה המכוסה. איפינסי יכול להיות גבוה מאוד (>95%) על טווח עומס צר, אך שמירה על ZVS על מתח רחב וריאציות דורשות תכנון זהיר של רשת רגולציה מחדש.

Pulse-Width Modulated (PWM) Waveforms with Shaping

רוב הממרים המודרניים משתמשים במודולציה הדופק-width (PWM) כדי להסדיר את התפוקה.הגלפורום הוא גל מרובע עם מחזור חובה משתנה.עם זאת, מעשי pWM גלפורים הם אף פעם לא מרובע לחלוטין.נהגי שער שולטים במכוון בקצב הזחלי כדי להפחית את EMI ו-Overshoot, ביעילות לעצב את העלייה / הקצוות לתוך רמפות מדרונות.

טכניקות מתקדמות כגון שליטה במשרה מת אדפטיבית, משבטים פעילים, ונהגי שער המפלט מאפשרים למהנדסים לייעל את הסחר בין החלפת הפסד ל-EMI. לדוגמה, כונן שער שני ברמה גבוהה יכול לספק תור ראשוני מהיר כדי להפחית את ההחלפה, ואחריו מעבר איטי יותר לצמצום הטבעת.זה יוצר גל ליניארי לא טהור ולא חטא, אלא מהנדס עבור יעילות מסוימת.

מלכודזואיד ורב-לב גלפורים

בממרים רב-דרגיים (למשל, 3-level NPC, capacitor מעופף), את השלבים המשתנים בין רמות מתח מרובות במקום להתנדנדנד מאפס למתח קלט מלא.זה מייצר גל דמוי מדרגות שדומה לגל חטא עם הרבה יותר מתחים קטנים יותר.המתח ההפחתה בכל מתג נמוך יותר והפסדים dv / לא, שיפור וצמצום רמת ה-EMI הם שימוש נרחב באנטי-מנטליגנטים, כאשר הם משתמשים בדחפים בלחץ גבוה.

גם גלי גלפוס מלכוד מופיעים בממירים מבודדים המשתמשים מעגלים של clamp פעיל.המגם clamp capacitor מעצב את מתח הקוד ניקוז לתוך עלייה עם ירידה מוגזמת, המאפשר שימוש בדירוג נמוך יותר משהFET עם פחות על סף תגובה.זה יכול לשפר את היעילות על ידי 1-3% בהשוואה לגל מכושף קשה.

השפעה מפורטת על אובדן אספקת החשמל

אובדן התנהגות

ההפסדים הם פרופורציה לכיכר של RMS הנוכחי פעמים את התגברות של מתג.עבור מחזור חובה נתון, גל מרובע עם הקצוות מהירים מצמצם את הזמן בילה במתחים ביניים, ובכך להפחית את התרומה האפקטיבית על-התנגדות של רמת המילר. אטיר (למשל, בגלימות חטא או בצורת גבוהה מאוד PW) להגביר את האובדן, כי זהה של מחזור זרם של סימנס, עם לחץ דם גבוה יותר, עם מחזור השבר הנוכחי.

החלפת הפסדים

הפסדים עוברים קשורים ישירות לחפיפה הנוכחית של המתח במהלך מעברים. גל מרובע טהור עם 1 ns עלייה זמן יהיה כמעט אפס חפיפה, אבל זה בלתי אפשרי פיזית בשל קיבולים קצבים והשכלה. בפועל, החלפת הפסדים נקבעים על ידי המוצר של מתח קלט, עומס הנוכחי, וזמן המעבר. a sine עם ZVS, אם כי להפחית את הפסד זה קרוב, בעוד ש-FRM הוא בדרך כלל גבוה יותר, כלומר, nn- 2.

שער ה-Tats Losss

אובדן כונן שער הם פרופורציה להחליף את תדירות ואת המטען השער.הגלימות מהירות דורשות זרמי כונן שער גבוה יותר, הגדלת אובדן בנהג.צורת הגלום משפיעה גם על ההשפעה של מילר: מתח ניקוז עולה עולה גבוה יכול להיות אחראי בחזרה אל השער, גורם מעבר תפנית חדה אם הכונן חלש.

אובדן ליבה מגנטי

ה- inductor או Transformer ליבה חוויות פלוקס סיורים שנקבעו על ידי המוצר השני של המוצר ה-Wol-II החל. Square Wave exצטט מייצרת ripple נוכחי משולש ו-מלכודת פלוקס גלפור, אשר מייצרת אובדן ליבה עקב היסטראסי ו- eddy הנוכחים.Susoids מייצרת פלוקס סינתטי עם תוכן הרמוני נמוך יותר, לעתים קרובות להפחית את האובדן הליבה בשל הדחיסות עלולות גבוהה יותר.

שיקולים מעשיים עבור אופטימיזציה של Waveformation

בחירת תדירות המעבר הנכונה

תדירות מעבר אינטראקציה ישירות עם צורה גלפורית. בתדרים נמוכים (ראה LT:0)90% יעילות עם פריסה זהירה. המודרנית SiFET ו- Schotky diodes לעבוד טוב. בתדרים גבוהים יותר (1-10 MHz), הקצוות גל מרובע ליצור אובדן מופרז ו- EMI, מה שהופך מעצבים לאמץ reantson או quasi-resonant topogies. הגל חייב להיות אופטימיזציה עבור תדירות, כמו מגנטית 1Feri, כמו חומרים מגנטיים, 000 מגנטיים, כמו חומרים מגנטיים 1Fer מגנטיים, 000 מגנטיים, 000 מגנטיים עבור חומרים מ-F1, 000.

ניהול תרמי ומתחים

הגלום משפיע על מתח שיא ועל הלחץ הנוכחי. גלי מרובעים קשיחים יכול לייצר ספייק מתח גדול עקב מצלצל, הדורשת עלייה של MOSFETs. Sine-wave resonant להמיר זרמי שיא גבוהים יותר, מדגיש את מתגי אינדוקטור ו capacitor אבל מאפשר דירוג מתח נמוך יותר.

עיצוב פילטר EMI

תוכן הרמוני Waveform קובע דרישות סינון EMI. גלים מרובע יש הרמוניות חזקות במספרים מוזרים של תדירות ההחלפה, הדורש חנקי תחמושת נפוצים ו Y-capacitors. גלים Sine יש הרמוניים מינימליים מעבר ליסוד, ומאפשר הפחתה מסנן. Shaped PWM עם שערי סלסול מבוקר להפחית רכיבים גבוה מעל 30 MHz, מפשט עיצוב עבור כלי רכב ויישומים רפואיים עם מגבלות גלנטמות, לעתים קרובות יותר מאשר יעילות טהורה.

המונחים: Parasitics

אפילו את הגלפור הטוב ביותר ניתן להשפיל על ידי פריסה גרועה.התמדה Parasitic in the power Loop גורם טבעת כי עלייה הפסדים מצלצל ו EMI. כדי להשיג יתרון גל מרובע מהיר, הלולאה חייבת להיות ממזער באמצעות רב שכבת PCBs, הפיכה קרובה, ו קיבולת נמוכה של esR capacitors. Resonant להמיר פחות רגישים ל parasitic intance כי resontance reson מחדש של כמה מנועים הם לעתים קרובות לתפוס את הפחתת כוח בשלב זה.

טכניקות מתקדמות לאופטימיזציה של Waveformation

Zero Voltage Switching (ZVS) ו- Zero Current Switching (ZCS)

ZVS מושגת על ידי הבטחת מתח מתג הוא אפס כאשר מופעל, חיסול אובדן השחרור קיבולי.זה אופייני במגירים חוזרים ו clamp קדימה ממירים. ZCS מבטל אובדן הפוך על ידי הבטחת הזרם במגרש נופל לאפס לפני מתח עולה.שלב ZVS ו ZCS (למשל, גשר מלא עם ZVS הראשי עבור, ZCC עבור ZCC עבור, ניתן להשיג את המעבר הרצוי על ידי TERD 1D.

זמן מת ו- Pulse Shaping

בקרה דיגיטלית מאפשרת אופטימיזציה בזמן אמת של זמן מת בין מתגים בעלי חיים גבוהים ונמוכים.זמן מת קצר מדי גורם לירות דרך; זמן רב מדי מוביל להתנהלות של הגוף ואובדן גבוה יותר. אלגוריתמים הסתגלות להסתגל זמן מת בהתבסס על עומס נוכחי, שמירה על ZVS על טווח רחב. בדומה, עיצוב הדופק ניתן להשיג על ידי הפעלת קצב כוח דינמית - במהירות עבור עומס גבוה, עבור עומס איטי יותר עבור עומס פעולה יעיל.

המונחים: GaN and SiC Waveform

מכשירים רחבים של להקות (GaN, SiC) יש הרבה יותר נמוך פלט capacitance ושער המטען, המאפשרים הקצוות מהירים יותר (sub-2 ns for GaN) זה הופך כמעט גל מרובע אידיאלי אפשרי, אבל ה- dv / dv גבוה מאוד (עד 150 V / ns) דורשות אולטרה-נמוך אריזות ופריסת זהירה.

תוצאות חיפוש: Waveform Impact in Real Designs

High-Frequency Server VRM

12V עד 1.8V ממיר עבור שרת CPU פועל ב 2 MHz.שימוש ב- GaN FET עם כונן שער מותאם (1 ns עלייה, 2 ns Fall) משיגה 93% יעילות. הגל הריבוע הוא כמעט אידיאלי, אבל משותף-Mode EMI דורש טכס fer bead על הפלט.אם הזמן העולה הוא איטי ל 5 ns כדי לענות על יעילות של CISPR, אבל טיפות חום כדי לשנות 91.5% באופן ישיר.

אספקה של Telecom Power Supply

1 קילוואט LLC resonant להמיר ציוד טלקום משתמש זרם ראשוני סינוסאידאלי ולהשיג 96.5% יעילות.הגלפורם עוצב על ידי טנק resonant (Lr, Cr) ואת הטרנספורמציה ממגנט אינדוקגניציה.צורה הסינוסית מאפשרת ZVS עבור מתגים ראשוני ZCS עבור דיודות משניות, צמצום הפסדי המסחר הוא טווח צר (ראה לעתים קרובות גל תצורה).

סולרי מיקרוןטר

מיקרו-מטופים גריידיים באמצעות שבבים מעופפים רב-ממדיים להתנצלות מייצרים פלט גל מטוגן מחטא.הגלפור יש 7 רמות (7L-FC) עם 50 kHz מעבר לרמה. Efficiency מגיע 98.2% בשל ירידה ב- dv/dt בכל מתג (רק 1/3 של מתח אוטובוס) צורת הגל המלכודת גם מפחיתה מסננים בגודל של 40% בהשוואה לנפח זה, אך ורק לנפח הגל הגדל.

שקיפות ודרכים עתידיות

גלאז המעבר אינו בחירה שרירותית אלא משתנה עיצוב מרכזי המכתיב יעילות, EMI, מתח רכיב ועלות המערכת.אין שום גלפורה אוניברסלית טובה ביותר: גלים רבועים מציעים פשטות ויעילות התנהגות גבוהה בתדרים נמוכים, גלים חטא מאפשרים מעבר רך בתדרים גבוהים, ועיצב PWM מספק פשרה מעשית.

(המעצבים צריכים לגשת למבחר הגלום על ידי ניתוח תדירות ההפעלה, מתח / רמות קבועות, עיצוב תרמי, דרישות EMI, ועלות המערכת הכוללת.סימציה (למשל, PLECS, LTspice) בשילוב עם מדידות oscilloscope מתקדמות מאפשרות התאמה מדויקת של הגל האמיתי ב-PT2 (R) כדי להמשיך להתפתח לדחיסות גבוהה ויעילות, היכולת לשנות את המהנדסים של פורמטים של מערכת ההפעלה: