إتقان إدارة إمدادات الطاقة

تعد دائرة إمداد الطاقة مرحلة شائعة في جميع الأجهزة الإلكترونية ، سواء كانت تعمل بالبطارية ، بتيار خارجي مباشر أو متناوب. يعتمد أداء وموثوقية وكفاءة النظام بأكمله على هذه الدائرة الأساسية.

على مر السنين ، خضعت دوائر إدارة الطاقة لتطور سريع مع الانتقال من الحلول القائمة على المكونات المنفصلة (ضخمة ومكلفة ومعقدة في التصميم) إلى حلول متكاملة أكثر إحكاما وفعالية وسهولة في الإدارة وقابلة للتكوين وفقًا لـ متطلبات التطبيق.

يعمل الذكاء المدمج في حلول إمدادات الطاقة المتكاملة للغاية والقابلة للبرمجة اليوم على تبسيط عملية التصميم بشكل كبير من خلال تجنب الحاجة إلى المكونات الخارجية. من خلال القيام بذلك ، تكون فاتورة المواد أقل تكلفة ، ويكون النظام أكثر فاعلية ، وتضم دائرة متكاملة واحدة التحكم في النظام والمرونة.

هذه المقالة ، بناءً على الكتاب الإلكتروني من سلسلة “For dummies” التي نشرتها Qorvo [1]، سيقدم المفاهيم الأساسية التي يجب على كل مصمم أو صانع أو طالب إتقانها عند مواجهة تطبيق إدارة الطاقة.

مصادر الطاقة

تشمل الأنواع الرئيسية لمصادر الطاقة التيار المتردد والتيار المستمر والبطارية والتيار المستمر منخفض الطاقة للغاية (تجميع الطاقة).

تستخدم معظم التطبيقات التي تعمل بالبطاريات بطاريات ليثيوم أيون (Li-ion) أو بطاريات ليثيوم بوليمر (LiPo) ، وغالبًا ما يتم دمجها إما في سلسلة أو بالتوازي لتشكيل حزمة بطارية. عند التوصيل في سلسلة ، تزيد البطاريات من جهد العبوة وقدرة العبوة. عند الاتصال بالتوازي ، فإنها تزيد من إجمالي التيار والقدرة.

مكون آخر ذو صلة هو محول DC-DC ، والذي يستخدم لتحويل جهد التيار المستمر من قيمة إلى أخرى (على سبيل المثال ، لتحويل جهد 6 فولت الذي توفره أربع بطاريات 1.5 فولت إلى 5 فولت_{العاصمة} الجهد المطلوب من قبل الدائرة). تسمى منظمات الجهد DC-DC تصعيدًا أو تنحيًا إذا كان جهد الخرج أعلى أو أقل من جهد الدخل ، على التوالي. يمكن تقسيم محولات DC-DC إلى مجموعتين:

• المحولات المعزولة: لأسباب تتعلق بالسلامة ، يتم عزل الخرج عن المدخلات من خلال محول أو نقل طاقة سعوي
• المحولات غير المعزولة: لها مسار تيار مستمر من الإدخال إلى أرض الإخراج ومشاركة توصيلات الإدخال والإخراج الأرضية.

المنظمين الخطيين والتبديل

اعتمادًا على طريقة تحويل الجهد التي يستخدمونها ، يمكن تصنيف منظمات جهد التيار المستمر إما على أنها تبديل أو خطية. يتعين على مهندسي التصميم اختيار أفضل منظم لجهد التيار المستمر لتصميم نظامهم بناءً على جهد الإدخال والجهد الناتج والحمل الحالي المتوقع.

منظمات خطية

تقوم المنظمات الخطية بتحويل جهد الدخل V_في إلى جهد خرج منظم (مختلف عادة) V_خارج باستخدام مكون خطي (أي مكون مقاوم).

الخصائص النموذجية للمحول الخطي هي كما يلي:

• عدم إهمال تبديد الطاقة (يتم توليد الحرارة)
• الأكثر ملاءمة للتطبيقات منخفضة الطاقة ومنخفضة التيار
• الكفاءة تعتمد بشكل صارم على فرق الجهد V_خارج – الخامس_في
• ضجيج ضئيل وانبعاث RF
• مناسبة للدوائر التناظرية الحساسة مثل أجهزة الاستشعار وحلقات المرحلة المغلقة

نوع معين من المنظم الخطي هو LDO (Low-DropOut Regulator). LDO هو منظم جهد خطي للتيار المستمر يمكنه تنظيم جهد الخرج حتى عندما يكون جهد الدخل قريبًا جدًا من جهد الخرج. منذ فرق الجهد (V_خارج – الخامس_في) في هذه الحالة صغير جدًا ، يمكن أن تحقق LDOs كفاءات عالية. يظهر التمثيل والاستجابة النموذجية لمنظم LDO في الشكل 1.

كما ذكرنا سابقًا ، عادةً ما تولد LDOs جهد إخراج منخفض الضوضاء وخالي من التموج بسبب نسبة رفض إمداد الطاقة العالية (PSRR). نظرًا أيضًا لاستهلاكها الحالي المنخفض في وضع الاستعداد ، فإن LDOs مناسبة للتطبيقات المحمولة واللاسلكية.

تبديل المنظمين

تبديل المنظمين يقومون بتحويل V_في إلى حرف V مختلف_خارج من خلال عنصر التبديل واستخدام المحاثات والمكثفات الخارجية لتنعيم جهد الخرج. عادة ما تكون منظمات التبديل أكثر كفاءة ويمكن أن تدعم مخرجات تيار أعلى من المنظمات الخطية. ومع ذلك ، يتأثر جهد الخرج المنظم بالضوضاء المموجة أو التحويلية التي لا يمكن قمعها تمامًا عن طريق التصفية.

يتم تغيير جهد الدخل DC (الثابت تقريبًا) لمنظمات التبديل إلى شكل موجة AC (التبديل بين قيمتين) عن طريق تبديل FET ، والذي يتم تحويله مرة أخرى إلى DC بجهد خرج مختلف بواسطة المكثفات والمحاثات. تحقق منظمات التبديل هذه فوائد الكفاءة والاكتناز بهذه الطريقة ، ولكنها تضيف أيضًا ضوضاء وتموج.

يمكن تصنيف منظمات التبديل ، والمعروفة أيضًا باسم SMPS (مصدر طاقة الوضع المحول) وفقًا للعلاقة بين جهد الإدخال والإخراج:

• منظم باك: V._خارج أقل من V._في
• منظم التعزيز: V_خارج أكبر من V._في
• منظم التعزيز باك: V_خارج يمكن أن يكون أقل من أو أعلى أو يساوي V._في.

يشتمل محول باك ، وهو منظم تنحي ، على مغو ، وتبديل FETs أو الصمام الثنائي ، ومكثف ، ومضخم خطأ مع دارة التحكم في التبديل (انظر الشكل 2). إنه يعمل عن طريق تغيير مقدار الوقت الذي يكون فيه MOSFET قيد التشغيل ويطبق الطاقة على المحث.

نظرًا لأن MOSFET الموجود في محول باك إما يعمل بشكل كامل أو متوقف تمامًا ، فإنه يتمتع بكفاءة عالية. على عكس المنظم الخطي ، فإنه لا يعمل في حالة مقاومة في منتصف المسافة بين التشغيل والإيقاف.

يتكون محول Boost ، وهو منظم تصعيد ، من نفس مكونات محول باك ، ولكنه متصل بطريقة مختلفة. إنه يعمل بشكل أساسي من خلال تغيير مقدار الوقت الذي يتم فيه تشغيل MOSFET وتطبيق الطاقة على المحث.

أخيرًا ، محول باك-دفعة هو محول وضع التبديل الذي يجمع بين مبادئ باك وتعزيز في منظم واحد ، وبالتالي التعامل مع مجموعة واسعة من المدخلات والمخرجات الفولتية. تقوم دائرة التحكم بضبط أوقات تشغيل وإيقاف تشغيل MOSFET إما لخفض جهد الدخل أو زيادة جهده حسب الحاجة للحصول على جهد الخرج المطلوب.

PMIC

الدوائر المتكاملة لإدارة الطاقة (PMICs) هي دوائر متكاملة تستخدم لتحويل الجهد وتنظيم الجهد وإدارة البطارية. تشمل الوظائف الأخرى تسلسل نظام الطاقة ، وإمداد الطاقة لأحمال متعددة ، والحماية من الجهد الزائد ، والجهد المنخفض ، والتيار الزائد ، والأعطال الحرارية.

الميزة الرئيسية لـ PMIC هي قدرتها على توفير قضبان كهربائية متعددة مع دائرة متكاملة واحدة. إنها مفيدة بشكل خاص للتطبيقات المتكاملة للغاية التي تتطلب جهد إمداد متعدد بقيم مختلفة.

يوضح الشكل 3 كيف يمكن ترحيل حل قائم على مكونات منفصلة بشكل فعال إلى حل PMIC (في هذه الحالة يكون Qorvo IC) ، وبالتالي تقليل الحجم الكلي وعدد المكونات.

حقيقة أن PMICs الحديثة يمكنها أداء بعض أو حتى كل احتياجات التحكم في الجهد للتطبيق هو عامل رئيسي في مرونتها. باستخدام البرامج الثابتة ، يمكن تكوين وحدات PMIC القابلة للتكيف للعمل في مجموعة متنوعة من التطبيقات دون حساب تغيير الدوائر المادية. يؤدي هذا إلى تقصير الوقت الذي تستغرقه العناصر للوصول إلى السوق ويسمح بالتبديل السلس بين التطبيقات.

نظرًا لتكامل مكونات الطاقة في PMIC ، مما يؤدي إلى تخطيطات أصغر وحث طفيلي أقل ، فإنها تقلل الضوضاء بشكل طبيعي. يمكن أيضًا تحسين توقيتات الصعود والهبوط وتردد التبديل ودورة العمل للشكل الموجي النبضي لإنتاج نطاق من الفولتية الناتجة وتقليل EMI وزيادة الكفاءة.

نظرًا لأن الكفاءة ترتبط ارتباطًا مباشرًا بتبديد حرارة النظام ومكوناته الفردية وحجم المنتج ، يجب على مصممي حلول إدارة الطاقة تقليل الحرارة الحرارية لتجنب الانفلات الحراري وتلف النظام أو المكونات المحتمل.

مراجع

[1] “أساسيات إدارة الطاقة ، إصدار خاص من Qorvo” بقلم ديفيد شناوفر وديفيد بريجز وناراسيمهان تريشي ومايكل داي

ظهر ما بعد إتقان إدارة مزود الطاقة أولاً في Power Electronics News.