В этой статье будет обсуждаться, как Решения на основе GaN в сочетании с цифровым управлением можно повысить эффективность, уменьшить размер и снизить системные затраты для приложений с высокой плотностью вычислений, таких как ультратонкие ноутбуки и высококачественные игровые системы.
Поскольку компьютеры, дисплеи, смартфоны и другие системы бытовой электроники за последнее десятилетие становятся тоньше и мощнее, растет спрос на решение проблемы более тонких решений при одновременном извлечении большей мощности из ограниченного пространства.
Чтобы решить эту проблему, мы исследуем сравнительные преимущества различных неизолированных понижающих топологий постоянного тока для ультратонких решений питания 48 В — 20 В, которые предназначены для установки внутри ноутбука или ультратонкого дисплея.
Почему GaN FETs подходит для этих решений?
В таблице 1 сравнивается полевой транзистор eGaN на 100 В с двумя лучшими в своем классе аналогами Si MOSFET (это сравнение немного ставит в невыгодное положение полевые транзисторы eGaN, поскольку мы сравниваем МОП-транзисторы 80 В с полевыми транзисторами eGaN на 100 В EPC2218). Полевые транзисторы eGaN имеют гораздо меньшие потери при переключении из-за меньшего заряда затвора, меньшие потери, связанные с более коротким временем простоя, которое достижимо из-за отсутствия обратного восстановления, меньший выходной заряд и значительно меньше по сравнению с кремниевыми устройствами с аналогичным сопротивлением включения.
Почему цифровое управление?
Благодаря своей гибкости в конструкции ультратонкого преобразователя используется цифровое управление, которое особенно эффективно при разработке сложных схем управления. Регулирующее управление на основе компенсаторных контроллеров для контуров тока и напряжения, а также различные функции защиты цепи могут легко управляться цифровым способом. Кроме того, высокое разрешение по времени, доступное для этих контроллеров, позволяет оптимально управлять временем простоя для GaN, время простоя которого может составлять в пределах 10 нс и намного ниже, чем у Si MOSFET и его контроллера / драйвера.
Цифровое управление также позволяет использовать GaN-совместимые драйверы затвора, которые обладают высокой мощностью привода для быстрого переключения и высоким боковым напряжением затвора для защиты от перенапряжения затвора.
Встроенные ядра MCU обычно используются для выполнения гораздо большего, чем “просто” выполнение цикла обратной связи. Встроенные самооптимизирующиеся пороговые значения защиты, расширенные проверки достоверности измеренных напряжений, токов и температур, проверка управляющих сигналов, адаптивная эффективность и алгоритмы оптимизации полосы пропускания, а также переключение «на лету» между различными режимами управления — все это способствует надежности и производительности конечного продукта.
Теперь давайте рассмотрим два способа создания более тонких конструкций преобразователей. Сначала мы рассмотрим топологию синхронного понижающего напряжения, которая популярна в конструкции понижающих преобразователей постоянного тока из-за ее простоты, удобства управления и низкой стоимости.
Цифровые контроллеры. благодаря свободно программируемым контурам обратной связи и чрезвычайно гибким периферийным устройствам они обеспечивают поддержку всех стандартных и многих передовых методов коммутации и режимов управления. Понижающие преобразователи могут работать во множестве различных режимов фиксированной и переменной частоты. Каждый режим имеет определенные преимущества и недостатки, некоторые из них требуют специальных вспомогательных цепей или высокоточных сигналов обратной связи, что повлияет на стоимость.
Все пять ключевых режимов управления, показанных на рисунке 1, могут быть реализованы с помощью цифрового управления.:
- Управление режимом напряжения
- Управление режимом среднего тока
- Управление режимом пикового тока
- Управление гистерезисным режимом
- Адаптивная постоянная по времени
На рисунке 2 показана структурная схема типичной системы управления режимом среднего тока, которая состоит из каскадного внешнего контура напряжения и внутреннего контура среднего тока. Этот тип системы управления широко используется для однофазных и многофазных преобразователей большей мощности, выходная мощность которых превышает 50 Вт. Внешний контур напряжения сравнивает самое последнее напряжение с внутренним эталонным значением и обрабатывает значение, обратное отклонению значения, через фильтр дискретной компенсации. Выходной сигнал фильтра представляет собой ссылку на текущий цикл для следующего текущего цикла управления. Внутренний контур тока сравнивает самое последнее значение обратной связи по току с новым эталоном, предоставленным контуром напряжения, и обрабатывает обратную величину отклонения на втором этапе фильтра компенсации.
В зависимости от режима управления и коммутации результат второго фильтра затем либо записывается в регистры генератора сигналов PWM, регулирующие коэффициент заполнения, сдвиг фазы или частоту, либо, в случае гистерезисной коммутации с переключением пиков или впадин, на другие периферийные устройства, такие как цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), чтобы настроить ссылки на аналоговые компараторы.
На этой блок-схеме показана архитектура высокопроизводительного, “готового к безопасности” цифрового контроллера сигналов dsPIC33CK64MP102 [1], специально разработанного для приложений с высокоскоростным переключаемым питанием (SMPS), таких как эталонные конструкции преобразователей мощности EPC9148 и EPC9153. Архитектура устройства представляет собой модифицированный микроконтроллер Harvard Architecture, включающий центральный процессор RISC (CPU) со встроенным цифровым сигнальным процессором (DSP), параллельные шины памяти и взаимосвязанные периферийные модули.
Внутри пунктирных линий, показанных на рисунке 3, находится сегмент архитектуры, используемой для реализации высокоскоростного контура (ов) управления в реальном времени, который представляет собой сбалансированный набор взаимосвязей между периферийными устройствами, работающими асинхронно от часов процессора и процессов, таких как аналоговые компараторы и логика событий, и синхронизированный функции, зацикливающиеся на обработке данных сигналов обратной связи, используемых для установления высокочувствительных, нелинейных, интеллектуально проверенных ответов на условия. Само устройство оснащено улучшенной защитой портов и поддерживает температуру окружающей среды до 150 ° C (переход 175 ° C). Оно доступно в упаковках размером всего 4 x 4 мм, что соответствует типичным требованиям к надежности и пространству, предъявляемым к преобразователям постоянного тока с высокой плотностью мощности.
Пример применения цифрового контура управления
Высочайшая эффективность и плотность мощности являются важными техническими аспектами, позволяющими постоянно повышать производительность конечных продуктов. Надежная, свободно настраиваемая генерация коммутационного сигнала высокого разрешения позволяет адаптировать драйверы вентилей, совместимые с GaN, и минимизировать потери за счет регулировки времени простоя с точностью до наносекунды.
Преобразователи промежуточных шин (IBC), такие как EPC9148 или EPC9153, всегда представляют собой чувствительную единственную точку сбоя в сетях распределения электроэнергии с архитектурой промежуточных шин (IBA). Следовательно, функциональная безопасность и высокая надежность являются жизненно важными аспектами дизайна и напрямую влияют на надежность конечного продукта. Программируемость многих основных функциональных блоков, таких как контур обратной связи, частота переключения, пороговые значения защиты, интерфейсы дистанционного управления и многое другое, позволяет конечным пользователям легко интегрировать полностью настраиваемый модуль IBC в сеть распределения электроэнергии с минимальными усилиями по проектированию. Динамическая настройка контура особенно полезна для борьбы с проблемами стабильности распределительной сети и их решения, что приводит к созданию более сбалансированных и надежных конечных продуктов.
В случае с тонким силовым модулем EPC9153 гибкость цифрового контроллера, способного работать непрерывно, была использована для решения двух ключевых прикладных задач:
Повышение эффективности при малой нагрузке
В условиях малой нагрузки и холостого хода эффективность синхронных понижающих преобразователей резко падает, что становится проблемой при использовании в системах компьютерной инфраструктуры, где высокопроизводительные нагрузки в основном чередуются между режимами малой и полной нагрузки, а периоды малой нагрузки составляют значительную часть общего времени работы. Цифровой контроллер позволяет обнаруживать переходы в режиме прерывистой / непрерывной проводимости (DCM / CCM) и может модулировать синхронный выпрямительный переключатель как идеальный диод для минимизации потерь. Однако асинхронная работа приводит к сокращению времени отклика, что является контрпродуктивным, учитывая, что профиль нагрузки будет постоянно требовать высокоскоростного отклика от небольшой нагрузки.
Способ избежать этого компромисса — переключаться между гистерезисным режимом переменной частоты при небольших нагрузках и фиксированной частотой при более высоких нагрузках, которые оба имеют одинаковое время отклика.
В режиме ожидания с горячим выходом преобразователь должен обеспечивать регулируемое выходное напряжение в режиме холостого хода, чтобы устройства с пониженной нагрузкой могли мгновенно выходить из спящего режима. Поскольку гистерезисный режим может быть установлен путем приведения в действие коммутационной ячейки аппаратными компараторами, срабатывающими при пониженных и пиковых токах, требуется лишь минимальное вмешательство контура управления для обеспечения стабильного выходного напряжения. В течение этого периода даже ядро процессора может перейти в спящий режим, лишь изредка пробуждаясь, когда независимые периферийные устройства указывают на изменение нагрузки. Переключение между гистерезисным режимом и режимом фиксированной частоты осуществляется путем перенастройки логики генератора сигналов PWM «на лету» во время активного цикла переключения. На этом этапе контуры управления средним током, которые приостановлены в гистерезисном режиме, предварительно заряжаются перед принятием управления контуром обратной связи для удовлетворения немедленного требования к выходу управления, что приводит к плавному переходу между режимами управления.
Режим повышенного энергопотребления
Требование поддержки так называемых повышающих режимов, то есть выходной мощности выше номинального максимума в течение ограниченного периода времени, является обычным в вычислительных системах, где периодические пиковые требования к мощности значительно превышают среднее энергопотребление нагрузок и где низкая вероятность и короткая продолжительность событий перегрузки делает не оправдывает чрезмерно спроектированную сеть распределения электроэнергии.
Демонстрационная плата EPC9153 [2] от Efficient Power Conversion, показанная на рисунке 4, может поддерживать до 200% своей номинальной выходной мощности 250 Вт в течение ограниченного периода времени. Пример прошивки в настоящее время определяет два порога продолжительности, один при 150% и второй при 200% загрузке.
Эта реализация предназначена только для целей оценки. В реальном приложении предел перегрузки должен быть динамическим и настраиваться в соответствии с конкретной прикладной средой, где управление температурой является основным ограничивающим параметром.
Для силового каскада выбран полевой транзистор eGaN EPC2218 напряжением 100 В [3] с максимальным сопротивлением включения 3,2 Мом. Для привода полевых транзисторов используется привод ворот uP1966A, отличающийся высокой прочностью при движении. Синхронная схема начальной загрузки с EPC2038, обеспечивающая напряжение затвора 4,9 В, используется для привода затвора с высокой стороны. Устройство dsPIC33CK используется для привода и управления преобразователем полностью цифровым способом, где контуры обратной связи реализованы и выполняются программным обеспечением.
Максимальная высота компонентов EPC9153 составляет всего 6,5 мм
Общая эффективность системы на входе 48 В и на входе 56 В при выходе 20 В показана на рисунке 5. На рисунке 6 показан тепловой профиль этой системы в установившемся режиме при расходе воздуха 400 л/мин. Максимальная температура составляет менее 62 °C при температуре окружающей среды 25 °C.
Становится еще тоньше благодаря многоуровневому преобразователю
Вторая топология, многоуровневый преобразователь, показана на рисунке 7. Этот преобразователь может обеспечить ту же пульсацию тока катушки индуктивности, что и синхронный понижающий преобразователь, с более высокой частотой переключения и индуктивностью. Это обеспечивает преимущества уменьшения потерь при переключении и размера катушки индуктивности.
При проектировании этого трехуровневого преобразователя входного напряжения 40-60 В и выходного напряжения 5-20 В используются полевые транзисторы GaN для дальнейшего уменьшения размера преобразователя и повышения эффективности. Для Q1 выбран полевой транзистор eGaN 100 В, 3,5 Мом (типичный) EPC2053 [5], поскольку это устройство должно блокировать полное входное напряжение на короткий период во время запуска. EPC2055 [6] 40 В, 3 Мом (типичные) полевые транзисторы eGaN используются для Q2, Q3 и Q4. На рисунке 8 показаны виды трехуровневого преобразователя сверху и сбоку.
Преобразователь переключается на частоту 400 кГц с помощью катушки индуктивности 2,4 Мкч, 3,5 мм, с частотой 800 кГц при максимальном выходном токе 12,5 А. Общая эффективность системы на входе 48 В и выходе 12 В или 20 В достигает почти 98%, как показано на рисунке 9. Тепловой профиль преобразователя, работающего при напряжении от 48 В до 19 В и выходном токе 12,5 А, показан на рисунке 10. Максимальная температура на плате составляет менее 65 °C.
Как и стандартный понижающий преобразователь, схема управления многоуровневым преобразователем flying capacitor должна обеспечивать регулирование выходного напряжения и защиту от выходного тока. Чтобы избежать перенапряжения любых полевых транзисторов, контроллеру многоуровневого преобразователя летающего конденсатора также необходимо поддерживать балансировку напряжения летающего конденсатора на уровне половины входного напряжения питания во время нормальной работы и запуска.
Во время запуска летающий конденсатор первоначально заряжается до половины входного напряжения с использованием существующей сети измерительных резисторов напряжения плюс дополнительный резистор, расположенный между VВ и ВКП и включение только Q4.
Основной контур управления этой конструкции основан на цифровом контуре управления режимом среднего тока. Этот цикл вычисляет требуемый рабочий цикл конструкции понижающего преобразователя для удовлетворения потребности в мощности в следующем цикле переключения. Из-за эффекта удвоения частоты работы летающего конденсатора цикл переключения может быть определен базовой частотой переключения 400 кГц. Следовательно, каждый новый управляющий выход будет оставаться постоянным в течение одного периода полной разрядки конденсатора и двух периодов пульсаций тока катушки индуктивности.
Слетать алгоритм балансировки напряжения непрерывно вычисляет смещения границ ШИМ, необходимые для компенсации асимметрии напряжения конденсатора, вызванной допусками компонентов, температурными воздействиями и током нагрузки. Выходной сигнал этого дополнительного блока управления включается в выходной сигнал управления ШИМ основного контура перед развертыванием новой синхронизации с помощью логики ШИМ.
Все основные преимущества встроенного цифрового управления в приложениях IBC на базе GaN, упомянутые ранее в отношении понижающего преобразователя EPC9153, по-прежнему применимы к многоуровневому преобразователю EPC9148.
По сравнению с EPC9153, где цифровое управление может помочь значительно повысить производительность и сделать конструкцию более эффективной и надежной, многоуровневая схема EPC9148 по существу требует расширенных возможностей генерации сложных сигналов и управления взаимосвязанным контуром для работы вообще.
Очевидны два ключевых аспекта: (1) Точная синхронизация сдвоенного полумостового привода с возможностью управления по времени импульса требуется для балансировки напряжения летающего конденсатора и (2) Балансировка напряжения летающего конденсатора требует независимых алгоритмов управления, извлекающих и обеспечивающих параметры из основного контура управления, а также периферийных устройств.
Примечательно, что управление напряжением летающего конденсатора может стать значительным узким местом в производительности, если оно не будет тесно связано с основным контуром управления и периферийными устройствами. При высоких частотах пульсаций 800 кГц координация процессов генерации ШИМ-сигнала, запуска АЦП, модуляции выходного сигнала основного контура и вычисления параметров балансировки должна быть строго детерминированной с очень небольшим дрожанием.
Резюме
В то время как два преобразователя, понижающий преобразователь EPC9153 и многоуровневый преобразователь EPC9148, достигают примерно одинаковой эффективности, существует значительная разница в конечном размере системы. На рисунке 11 представлено сравнение двух преобразователей, показывающее явное преимущество многоуровневого преобразователя в размерах. Объединенные преимущества полевых транзисторов eGaN и цифрового управления обеспечивают ультратонкие решения для удовлетворения высоких требований к мощности в малых форм-факторах для ультратонких ноутбуков и игровых систем высокого класса.
Цифровое управление обеспечивает гибкость для упрощения сложных схем управления, разрешение для обеспечения оптимального управления временем простоя и высокую мощность привода для быстрого переключения, а также необходимую защиту. Входной каскад 48 В для этих применений требует устройств с номинальным напряжением 80-100 В. По сравнению с кремниевыми МОП-транзисторами, полевые транзисторы eGaN обеспечивают превосходную производительность, меньший размер и меньшую стоимость.
Цифровое управление GaN plus — это решение для 48-вольтовой революции!
Рекомендации
[1] Микрочип, dsPIC33CK32MP102: Цифровой сигнальный контроллер для приложений SMPS. Доступный: https://www.microchip.com/dsPIC33CK32MP102
[2] Эффективное преобразование мощности, EPC9153: 250 Вт, преобразователь постоянного тока 48 В. Доступный: https://epc-co.com/epc/Products/DemoBoards/EPC9153.aspx
[3] Эффективное преобразование мощности, EPC2218: 100 В, 3,2 Мом, 241 А полевой транзистор eGaN. Доступный: https://epc-co.com/epc/Products/eGaNFETsandICs/EPC2218.aspx
[4] Эффективное преобразование мощности, EPC2148: 250 Вт, трехуровневый преобразователь постоянного тока 48 В. Доступный: https://epc-co.com/epc/Products/DemoBoards/EPC9148.aspx
[5] Эффективное преобразование мощности, EPC2053: 100 В, 3,8 Мом, 246 А полевой транзистор eGaN. Доступный: https://epc-co.com/epc/Products/eGaNFETsandICs/EPC2053.aspx
[6] Эффективное преобразование мощности, EPC2055: 40 В, 3,5 Мом, 165 А полевой транзистор eGaN. Доступный: https://epc-co.com/epc/Products/eGaNFETsandICs/EPC2055.aspx
[7] Ю. Чжан, Дж. Ван, M.de Rooij, “Оптимизация конструкции трехуровневого синхронного понижающего преобразователя на основе полевых транзисторов GaN”, Конференция и экспозиция IEEE по прикладной силовой электронике (APEC), март 2020 г., стр. 659-663.
[8] A. Lidow, M. de Rooij, J. Strydom, D. Reusch, and J. Glaser, Транзисторы GaN для эффективного преобразования мощности. Третье издание, Wiley, ISBN 978-1-119-59414-7.
Свежие комментарии