نظرًا لاعتماد العالم بشكل متزايد على التكنولوجيا ، يتم إنشاء كمية هائلة من البيانات على حافة الشبكات. تنقل معظم الأنظمة الحالية هذه البيانات إلى خادم سحابي حيث تتم معالجة إضافية ، ولكن الآن مع التقدم في تقنيات الحوسبة ، يمكن أن يؤدي إنشاء معالج قوي ولكنه صغير الحجم ومنخفض الطاقة إلى تنفيذ معظم معالجة البيانات محليًا أو على الحافة. إن وجود وحدة حوسبة محليًا يوفر موارد الشبكة ويقلل من حمل الخادم السحابي ويزيد من قابلية التوسع. يصبح ضمان مصدر طاقة AC-DC موثوق لأجهزة الحوسبة المتطورة أمرًا مهمًا ، حيث يمكن أن يؤدي عدم كفاية الطاقة أو انقطاع التيار الكهربائي المفاجئ إلى فقد البيانات أو تلف المكونات الموجودة على متن الطائرة.
تهدف وحدة تزويد الطاقة AC-DC المدمجة والفعالة من Infineon إلى تلبية متطلبات الطاقة لتطبيقات الحوسبة الخارجية بأقصى كفاءة تزيد عن 96٪. وحدة إمداد الطاقة (PSU) بدون مروحة ذات مظهر جانبي منخفض ومن مرحلتين: مرحلة تصحيح معامل القدرة (PFC) ومرحلة تحويل DC-DC. يمكن أن تفي أيضًا مصادر الطاقة التقليدية AC-DC القائمة على الثنائيات بمتطلبات الطاقة. ومع ذلك ، فإنهم يستمدون تيارًا نابضًا من الإمداد مما يؤدي إلى زيادة التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) وانخفاض الكفاءة الكلية. لذلك ، يتم تطوير مصدر طاقة عالي الكفاءة وعامل الطاقة يعتمد على دوائر MOSFETs.
متطلبات وتحديات التصميم لوحدات الدعم الأولية في البيئة الخارجية
أثناء تصميم مصدر طاقة للتطبيقات الخارجية ، يجب أيضًا مراعاة العديد من العوامل بخلاف متطلبات الطاقة الكهربائية ، مما يؤثر على اختيار أشباه موصلات الطاقة. يجب أن تتمتع PSU بكثافة طاقة عالية وعامل شكل رفيع بحيث يمكن استخدام التبريد الذي لا يعتمد على مروحة / على أساس الحمل الحراري لتوفير المساحة. يستخدم هذا ألواحًا معدنية كبيرة توفر تبريدًا للهيكل وتصميمًا SMD كاملًا لتبريد الجانب العلوي. يساعد تصميم SMD الكامل أيضًا على تقليل المساحة والوزن والتأثير البصري ويسمح بتركيب وحدات PSU على الأبراج أو الأعمدة أو الجدران بدلاً من وجود خزانات منفصلة.
الشرط التالي هو أن تدعم PSU نطاقًا واسعًا من الفولتية المدخلة مع متطلبات EMI الصارمة. تتمتع وحدات دعم البرامج (PSU) عمومًا بحماية هائلة من زيادة التيار لتجنب التلف الناتج عن الفولتية العابرة مثل البرق. تُستخدم المغناطيسية المستوية أيضًا على نطاق واسع هنا لأنها توفر مساحة على تصميمات المحولات. تُظهر المحولات ذات النوى المغناطيسية المستوية مساحة سطح أكبر ، وارتفاعًا صغيرًا ، ومقاومة أقل لفائف التيار المتردد. أخيرًا ، يجب أن تتحمل PSU الظروف البيئية الخارجية القاسية مثل درجات الحرارة المرتفعة أو هطول الأمطار الغزيرة.
تصميم مرحلة PFC
PFC هي تقنية تستخدم لتصحيح أو زيادة عامل القدرة للنظام. يشير عامل الطاقة المنخفض إلى أن جزءًا كبيرًا من الطاقة المستمدة من المصدر لا يتم استخدامه بشكل فعال ، مما يؤدي إلى إهدار الطاقة وضعف جودة الطاقة. تصحح مرحلة PFC عامل القدرة عن طريق تشكيل شكل موجة تيار الإدخال ليكون في الطور مع شكل موجة جهد الدخل. هذا يقلل من مكون الطاقة التفاعلية للحمل ، ويحسن عامل الطاقة ويقلل من كمية الطاقة المهدرة. يعني عامل القدرة العالي الكفاءة العالية ، وانخفاض السحب الحالي ، وتقليل التشوهات التوافقية ، وتقليل الضغط على شبكات توزيع الطاقة.
يمكن استخدام طبولوجيا مختلفة مثل التقليدية أو بدون جسور أو معشق أثناء تصميم وحدة PFC لوحدات PSU عالية الكثافة للطاقة. من حيث الكفاءة ، يفضل استخدام طوبولوجيا بدون جسور ، ولكنها تظهر أيضًا مستوى أعلى من EMI ، مما يؤدي إلى زيادة التوافقيات في توريد المخرجات. بالنسبة لتطبيقات الاتصالات مثل 5G ، ستؤثر EMI بشكل كبير على أداء أجهزة الإرسال والاستقبال اللاسلكية ، مما يحد من استخدام طوبولوجيا بدون جسور. وبالتالي ، يتم استخدام طوبولوجيا متداخلة ، مما يقلل من التيارات التموجية في أشكال موجات الإدخال والإخراج. تتسبب تقنية التشذير في إلغاء التيارات التموجية ، وتقليل التشوه التوافقي الكلي (THD) في الدائرة وتحسين عامل قدرة الإدخال بنسبة تصل إلى 99.9٪.
بعد ذلك تأتي دائرة التحكم في مرحلة PFC ، والتي تطابق مرحلة شكل موجة الإدخال مع شكل موجة جيبية ناتجة. توجد حلقات منفصلة للتحكم في الجهد والتيار داخل مرحلة PFC. تنظم حلقة التحكم في الجهد الخارجي جهد ناقل التيار المستمر ، بينما تتحكم حلقة التحكم في التيار الداخلي في تيار المحرِّض لتتبع شكل موجة جهد الخرج. يتم تنفيذ حلقات التحكم هذه عادةً باستخدام وحدات تحكم تكاملية (PI) مضبوطة للحفاظ على عامل قدرة مرتفع.
تصميم المرحلة لمحول DC-DC
تقوم مرحلة التحويل DC-DC بتحويل جهد الدخل إلى جهد الخرج المطلوب ، والذي يمكن أن يختلف اعتمادًا على التطبيق. تتمثل إحدى المزايا الرئيسية لاستخدام محول DC-DC في كفاءته ، حيث يقلل من فقد الطاقة وتبديد الحرارة مقارنة بالمنظمات الخطية. بالإضافة إلى ذلك ، تنظم محولات DC-DC جهد الناقل إلى جهد الحمل المطلوب ولا تتأثر بجهد الإدخال المتغير.
تستخدم تطبيقات الحوسبة المتطورة مثل الاتصالات المحولات المعزولة على نطاق أوسع لأنها مناسبة بشكل أفضل لتوفير العزل والحماية لتوصيل الأحمال من المحولات غير المعزولة. تحتوي المحولات المعزولة على أسس منفصلة لمراحل الإدخال والإخراج ، في حين أن المحولات غير المعزولة لها أرضية مشتركة بينها ، مما قد يؤدي إلى زيادة الضوضاء على جانب الإخراج. عادة ما يتم تحقيق هذا العزل باستخدام محولات مستوية مع ضمادات مركزية.
يستخدم PSU طوبولوجيا محول باك للتنحي عن جهد الدخل العالي إلى جهد خرج منخفض وثابت. يتم التحكم في MOSFETs المستخدمة في هذه المحولات باستخدام تقنية PWM الأكثر استخدامًا على نطاق واسع لأنها تقلل من خسائر التبديل وتمكن تبديل الجهد الصفري (ZVS).
يستخدم PSU من Infineon نصف جسر LLC (مكثف-محث-مكثف) كمحول رنان مع مغو طنين مصنوع من سلك Litz. ينفذ المحول المستوي تحويل جهد التيار المتردد ، والذي يتم تحويله بعد ذلك إلى تيار مستمر باستخدام مقوم متزامن ثانوي. يعمل المحول بتردد عالٍ مما يجعله صغيرًا مقارنة بالمحولات التقليدية التي تعمل بتردد الإمداد وكبيرة الحجم. بشكل عام ، PSU مضغوط للغاية ، بحجم 27 × 80 × 150 مم وقوة إخراج قصوى تبلغ 1000 واط.
مراجع
1 عرض Infineon ، “مصدر طاقة ACDC مدمج وفعال لتطبيقات الحوسبة الخارجية الخارجية” ، APEC 2023
2 تصميم وتصنيع مصدر طاقة تيار متردد إلى تيار مستمر على مرحلتين مع 99.50٪ PF و ZVS للتطبيقات الصناعية عالية الكثافة [Link]
اكتشاف المزيد من مجلة الإخلاص
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
