La integración de Pasivos de potencia y táctico compensaciones para la eficiencia de energía: Parte 1, Harmony - Diseño como un director de orquesta Por:

Nota de aplicación 5569

La integración de Pasivos de potencia y táctico compensaciones para la eficiencia de energía: Parte 1, Harmony - Diseño como un director de orquesta

Por:
Bill Laumeister, Ingeniero de aplicaciones estratégicas

08 de marzo 2013

Resumen: En la búsqueda de dispositivos más pequeños, más delgados y más potentes, los diseñadores necesitan para reducir el tamaño de los pasivos de energía, inductores y capacitores. Esta nota de aplicación estudia ingeniería paradójico concesiones, centrándose en la gestión de energía y suministros de conmutación. Después de un debate de la conmutación y filtrado de las pérdidas, el cambio de fallas, tiempo muerto, y disparar a través, discusión se centra en los trucos del oficio en el uso de circuitos integrados integrados para resolver los problemas en ahorro de energía.

Una versión similar de este artículo apareció en electronica , 7 de enero de 2013.

Introducción

Pasivos de energía, inductores y capacitores son grandes en productos de consumo actuales. Eso es grande en tamaño físico como en comparación con los teléfonos delgados y comprimidos pequeños que aparecen en todas partes hoy en día. ¿Qué es un ingeniero que haga? Tenemos que ser inteligentes y aplicar métodos científicos. Parece que oigo esto cada semana. "Vamos a reducir la potencia de conmutación de alimentación tamaño y aumentar la eficiencia", que por lo general significa agregar más tiempo de funcionamiento de la batería. Claro, buena idea, pero todavía tenemos que reducir el espacio físico. Un enfoque prometedor para el dilema es atacar a los pasivos de energía debido a su tamaño relativamente grande.

Comenzamos esta serie de dos partes mediante la exploración de ingeniería muchos contradictorio, incongruente y paradójico trade-offs. Parte 1 se centra en la amplia gama de conocimientos, como un director de orquesta, que un buen diseñador debe tener para garantizar una bien integrada, eficiente energéticamente solución. El director de orquesta sinfónica debe conocer el sonido y la capacidad de cada instrumento y cada músico para dirigir una producción armónica.Su hábil entrelazamiento de la música añade al deleite de la audiencia y crea clientes de vuelta. Sí, es un buen ejemplo para nosotros.

¿Por qué concentrarse en conmutadas?

La tendencia en los aparatos es hacia los pequeños ahorros, ligero, delgado y con mucha energía "cool" características.Esto es cierto para los dispositivos de consumo portátiles, ultra-delgados televisores de pantalla grande, e incluso para productos de línea blanca como plato y lavadoras de ropa y secadoras de ropa. Los consumidores están exigiendo más baterías que duran funcionamiento y la carga más rápido. Las cuestiones que realmente se cristalizan en la administración de energía y las baterías. Tecnología de batería ha prometido avances importantes, pero éstos han tardado en materializarse porque los problemas de la química son difíciles de resolver con rapidez. Como resultado de ello, hay que centrarse en abordar la cuestión de la gestión. lineales analógicos regulador de las fuentes de alimentación debe girar exceso de voltaje en calor donde conmutadas puede transformar la tensión con una pérdida mínima.

La idea inicial es para ahorrar energía. En primer lugar, hay que apuntar a nanoamperios por lo que no necesita energía tanto. Mientras que hay muchas técnicas para ahorrar energía en componentes discretos, hay muchos más que se puede utilizar en el interior de los circuitos integrados (ICs). En segundo lugar, hay que situar los pasivos dentro de un paquete híbrido IC. Se podría salirse con la colocación de uno o dos componentes discretos dentro, pero seguramente no el 10.Vamos a intentarlo. En tercer lugar, debemos preguntarnos cómo podemos obtener pequeñas, que es lógicamente lo mismo que preguntar qué tan alto podemos ir en frecuencia sin sacrificar la eficiencia. ¿Podemos llegar lo suficientemente alto en la frecuencia de lo que realmente podría usar un cable de unión o un condensador on-chip?

Hay muchos tipos de conmutación suministros, pero en esta nota de aplicación, nos concentramos en el suministro de dinero. Esto lleva a un mayor voltaje y la reduce a un voltaje menor. Nuestra atención se centra en pequeños suministros, a menos de unos pocos amperios, y con tensiones menores de 10V. Pequeñas, alumbrado, energía eficientes son el sello distintivo de los encontrados en los consumidores y los dispositivos portátiles de la batería. ^{1, 2}

Comience por pérdidas Comprensión de alimentación de conmutación

Las pérdidas de energía (principalmente calor) se producen en dos áreas: la conmutación y filtrado de las pérdidas. Las pérdidas de conmutación son en la conducción y en la hora de cambio real; pérdidas de filtro suceder cuando se reduce onda a un nivel aceptable.

Pérdida de conducción es la pérdida de potencia en los transistores porque tienen una pequeña resistencia en la condición de sobre-. Recuerde que tener un cortocircuito sin resistencia no es posible, porque incluso un interruptor mecánico tiene alguna resistencia. Unión bipolar ( BJT ) y de óxido de metal- semiconductor (MOS transistores) podría ser utilizado en diferentes aplicaciones. En esta nota de aplicación, nos concentramos en complementarios MOS (CMOS) de transistores, ya que son los componentes más integrados. Una desventaja es que un CMOS con la mínima fuga de fuentede resistencia (R _DSON ) tiende a ser físicamente más grande y cambiar lentamente. Small-patrón transistores CMOS son rápidos pero tienen una mayor R _DSON . Dentro de un IC podemos paralelo muchos pequeños transistores CMOS para bajar R _DSON pero, por supuesto, nunca tenemos algo por nada. Pronto la capacitancia , resistencia, inductancia y de los dispositivos paralelos empezar a frenar la velocidad de conmutación.

Pérdidas de conmutación están asociados con el tiempo que se tarda en cambiar los transistores de encendido y apagado, y las pérdidas pueden ser considerables. Obviamente, tenemos que cambiar más rápido, pero ¿cómo? Hay límites, ya que es necesario cargar y descargar la inductancia y la capacitancia. Finalmente, como la velocidad de conmutación alcanza su menor tiempo y aumenta la frecuencia, llegamos a un punto en el que tenemos todos los conmutadores, subida y bajada, y no "a tiempo." En ese momento, la eficiencia es muy bien ido.

Vamos compuesto el problema mediante la introducción de tiempo muerto y la prevención de tiro a través. ^{3, 4} En la Figura 1 , los transistores superior e inferior no puede estar en forma simultánea sin cortocircuitar la fuente de alimentación a tierra. Se tiene mucho cuidado para asegurar que las señales de accionamiento de puerta están muy oportuna para evitar esto. Debido a las variaciones del proceso, los diseñadores de forzar un tiempo muerto corto en la forma de onda cuando ambos transistores están apagados. Este tiempo se resta del periodo de tiempo disponible, reduciendo aún más la frecuencia de conmutación posible. El tiempo muerto no siempre es suficiente para evitar todo shoot-through. Alternativamente, el tiempo necesario muerto es tan larga que, en el peor de los casos, la eficiencia de conmutación sufre. Tiro a través de eventos se producen cuando ambos dispositivos de salida son en (por ejemplo, con fallas del circuito o transitorios, tales como los cambios de carga bruscos). De tiro a través es más común cerca de cruce(tiempo muerto) cuando los transistores son casi completamente encendido o apagado. Un transitorio en este momento puede conducir ambos transistores parcial o completamente en.

Figura 1. A cambio de la oferta CMOS etapa de salida.

Ahora vamos a llenar en otro requisito en conflicto, donde la "cura" desperdicia energía y en realidad hace calor. Fallos de conmutación forman principalmente impedancia desajustes en la salida. Con fines generales suministros donde la carga es muy variable, a veces es difícil de eliminar fallos de conmutación. Así, se añaden amortiguadores transitorios. Un transitorio amortiguador comprende usualmente una combinación de resistores, inductores, condensadores, y a veces undiodo . El amortiguador se utiliza para reducir los transitorios de conmutación que puedan dañar los transistores de salida y otros componentes. Los amortiguadores son, sin embargo, no es bueno en volver la espalda energía extra en el circuito para aumentar la eficiencia. En su lugar, convertir la energía en calor.

Pérdidas de filtrado se define generalmente por la cantidad de ondulación que la carga pueda tolerar. Los circuitos digitales pueden soportar más ondulación a causa de sus umbrales digitales. ⁵ circuitos analógicos no pueden soportar incluso una pequeña cantidad de ondulación.

Inductor y tamaño del condensador está relacionada con la frecuencia. Como la frecuencia aumenta, la bobina y el condensador se encogen. Piense en la analogía de beber un refresco grande en grandes sorbos, que podría ser el "hombre" que se puede hacer, pero un niño podría hacer el mismo trabajo que en muchos sorbos pequeños. La potencia total transferida es el mismo, pero el pequeño inductor y el condensador se puede hacer a una frecuencia mayor y, con un diseño apropiado, menos ondulación y menos pérdida de potencia para el filtrado de paso bajo necesarios.

A partir del suministro de energía de diseño

Ahora las buenas noticias. Las pérdidas de conmutación descritos anteriormente son muy difíciles para los suministros grandes con múltiples componentes discretos destinados al uso general. Estos suministros deben adaptarse a una amplia gama de condiciones. Sin embargo, bien definido, suministros altamente integrados dentro de circuitos integrados permiten el control del diseñador, simular, y la costumbre encajar algún circuito especial topologías. No es tan difícil de diseñar, si usted sabe algunos trucos del oficio.

Conozca la aplicación

En primer lugar, debemos reunir información sobre el diseño y definir los temas a fondo. Incluido en el ejercicio son los detalles de cada requerido tensión y corriente. ¿Cuáles son las tolerancias, la precisión, la carga y la regulación de línea?Lo más importante, lo que realmente se requiere voltaje? Si la tensión no requiere tolerancias estrictas, sería un resistor-divisor y un convertidor de impedancia, tal como un transistor o un amplificador operacional ( op amp ), hacer el trabajo?

El calor es una preocupación importante por varias razones. El calor debe ser disipado para evitar un sobrecalentamiento del equipo. Esto puede ser un reto muy difícil cuando, por ejemplo, un teléfono celular se deja en el sol y se sella en un automóvil cerrado. Además, cualquier cantidad de calor de la vida sobrecalentamiento de la batería desechos y requiere la batería a cargar con más frecuencia. Nadie quiere eso. El tiempo entre cargas es la preocupación de los consumidores de suma importancia. Por lo tanto, los recuentos de eficiencia.

Conmutada o lineal?

Ahora tenemos que decidir cómo dividir los suministros a conmutada y configuraciones lineales. La mejor manera de realizar una alimentación conmutado es eficaz para comprender tanto la tensión de alimentación (por lo general la batería y la batería bajo tensiones de carga) y las variaciones de carga. El más eficiente de conmutación es uno que tiene poco cambio en la corriente de carga. Una forma sencilla de reducir el tamaño físico de la bobina y el condensador es para aumentar la frecuencia de conmutación. ⁶

Tomemos un ejemplo, un equipo especializado que cuenta con grandes diferencias en la potencia requerida en los modos de funcionamiento diferentes. Podemos pensar en dos aplicaciones con requisitos similares: un satélite receptor y una computadora seguimiento de un proceso físico, tal vez en el interior de una fábrica. Ambas situaciones intermitente utilizar un disco duro para almacenamiento de bajo coste. Para ahorrar energía y aumentar la vida del disco, el disco puede despin. Se especifica que el disco debe ser capaz de girar y estar listo para leer o escribir en 20 segundos. Esto significa que el receptor de satélite debe proporcionar un mínimo de 20 segundos de memoria de semiconductor de manera que cualquier comando desde el operador aparece como una parte integral de la operación. El dispositivo de vigilancia del proceso tiene que tener suficiente memoria de modo que los datos pueden ser intermitentemente grabado en el disco duro, mientras se minimiza la necesidad de girar el disco a la velocidad. Otro modo de funcionamiento podría ser el sueño profundo, que necesita la potencia mínima. Aquí, el proceso receptor de satélite o de la fábrica no está en uso durante la noche. En cualquier caso, cada modo de funcionamiento se debe acomodar a mantener la máxima eficiencia.

Tricks of the Trade integrados-Think "Dentro de la IC"

Conmutación genérico y lineales de tres terminales reguladores de voltaje necesario para operar sobre los extremos anchos de consumo de corriente debido a que los diseñadores no se puede predecir cómo o ​​dónde se van a utilizar.Cuando conocemos la aplicación exacta, podemos adaptar un circuito y optimizar la eficiencia. Por ejemplo, la manera fácil de hacer un regulador genérico es confinarlo a menor ancho de banda para evitar la oscilación. Luego dependerá de los condensadores de desacoplamiento para abastecer las rápidas corrientes de alta frecuencia transitorios, el regulador suministra la corriente promedio más lento. Esto suele ser un buen diseño compensación porque los condensadores pequeños locales cerca de los ICs mitigar las pérdidas de resistencia y la inductancia en las conexiones entre el CI y el regulador.

Una táctica diferente se emplea para cargas conocidas en amplificadores de audio: utilice más amplia regulación de la potencia de ancho de banda. El ejemplo más simple está desplegándose un voltaje de referencia para muchas etapas de amplificación. En este enfoque, se podría utilizar amplificadores operacionales para aislar pequeñas porciones de circuito y evitar interacciones.

Otra forma de reducir el tamaño del condensador de desacoplamiento es colocar un condensador relativamente pequeño en la entrada de un amplificador y usar la ganancia para aumentar el tamaño efectivo del condensador (es decir, el efecto Miller ⁷ ).

Piense transistores. Circuitos integrados tienen la ventaja de que la totalidad de sus transistores están hechos al mismo tiempo a través de un proceso fotográfico. Esto asegura un acoplamiento cercano de parámetros, mucho más estrecha que con transistores discretos realizados en diferentes momentos. La etapa de salida en la Figura 1 se puede añadir dos transistores si coinciden bien. El transistor superior y el inferior de cada ser dos transistores en una configuración en cascada. Debido a que los transistores tienen la mitad de la tensión aplicada a ellos, que se pueden controlar más fácilmente para mejorar la velocidad de conmutación y la eficiencia. Bien adaptadas circuitos de transistores en un único chip puede controlar más fácilmente la capacidad parásita y, por lo tanto, retardos de tiempo para reducir el tiempo muerto y para controlar la fase y la sincronización de múltiples suministros.

Otro "dentro de la IC" opción al principio suena tonto, hasta que hacemos la matemática y simulación. Por ejemplo, tenemos una fuente de 5V y desea realizar suministros 2.5V y 1.2V. El pensamiento convencional dice que debemos construir dos fuentes paralelas, 5V a 2.5V y 5V a 1.2V. A altas frecuencias (es decir, 30MHz a 100MHz), las pérdidas de filtro o rizado disminuir en comparación con las pérdidas de conmutación. Hay que hacer los cálculos para ver si los suministros en cascada tendría menos pérdida. Cascada de los suministros en realidad significa que la convierte 5V 2.5V y luego se convierte en la fuente de 2.5V 1.2V. En esencia, hay una doble conversión y pérdida de eficiencia al doble de dos pasos la potencia 1.2V. Reformulado simplemente, el suministro de 5V a 2.5V debe pasar toda la corriente utilizada en 2.5V más todo el actual utilizado en 1.2V. Algo sorprendente puede suceder ahora porque los transistores de suministro de 1,2 V tienen la mitad del voltaje a través de ellos en comparación con la condición paralelo: las gotas de conmutación pérdidas, especialmente con cargas ligeras suficiente para hacer que el par en cascada más eficiente.

Es muy común para hacer una fuente de alimentación limpia en una CI y luego proporcionar energía a los circuitos múltiples con espejos de corriente. Muchos diseñadores utilizan idénticos transistores npn porque se hacen al mismo tiempo, con el mismo proceso, y tienen idéntico V _BE caídas de tensión. Al vincular las bases juntos, cada emisor puede distribuir tensiones idénticas a muchas etapas de circuitos diferentes. Puesto que estamos replicando una fuente de alimentación limpia, el número de condensadores de desacoplamiento se reduce considerablemente.

Conclusión

Un director de orquesta coordina los instrumentos para producir una presentación armoniosa, limpia musical que suena, y agradable. El ingeniero del proyecto controla los parámetros de potencia que resultan en un sistema armónico y eficiente que agrada al usuario final. Tanto para el conductor y el ingeniero, el diablo está en los detalles. Nuestro conductor debe ser capaz de reconocer una interpretación perfecta instrumental, así como una pobre. Nuestro ingeniero de diseño debe ser capaz de identificar las deficiencias aún pequeños en la estructura de poder que puede influir negativamente en todo el dispositivo.

Hay mucho más que decir sobre este tema. En nota de aplicación 5570, " La integración de Pasivos de potencia y táctico compensaciones para la eficiencia de energía: Parte 2, Balance - Trabajar a través de todas las opciones , "hablamos de ingeniería controvertida y aparentemente imposible trade-offs en el diseño de sistemas de energía.

Referencias

1. Para más ideas sobre sistemas de baterías, ver el tutorial 671, " Gestión de la Energía para pequeños sistemas portátiles ".
2. Ver tutorial 5290, " una mayor integración Unidades de las nuevas generaciones de teléfonos inteligentes . "
3. Para obtener más información acerca de tiro a través de, ver nota de aplicación 1135, " pequeño condensador Mejora la eficiencia en el suministro de CPU de alta potencia ".
4. Para obtener más información y un ejemplo de los tiempos muertos y disparar, aunque la protección, véase la Figura 6 en la nota de aplicación 5424, " Control de Enfriador Termoeléctrico utilizando el microcontrolador DS4830 óptico ".
5. Para obtener más información sobre los umbrales digitales, consulte la nota de aplicación 4345, " bien fundamentada, es analógico digital ".
6. Para obtener más información acerca de un selector de 4 MHz, véase la nota de aplicación 3603, " Buck Converters proliferan en los dispositivos de bolsillo como características y aumentar el poder de procesamiento ".
7. Consulte la sección " Origen del efecto Miller "(PDF), escaneados por Kent H. Lundberg, John M. Miller," La dependencia de la impedancia de entrada de un tubo de vacío de tres electrodos a la carga en el circuito de placa, "Comunicaciones Científicas de la Oficina de Normas 15, 351 (1920): 367-385. Este artículo fue escrito en junio de 1919 y publicado en 1920 por la Imprenta del Gobierno en Washington, DC Los derechos de autor de este artículo ha expirado. Es ahora en el dominio público.

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