العاكس ثابت التردد وحقن التموج للتيار الكهربائي الداخلي

تحليل العاكس ثابت التردد وحقن التموج للتيار الكهربائي الداخلي

مع التطور السريع لتكنولوجيا تصنيع أشباه الموصلات، يزداد استهلاك الطاقة للمعالجات الدقيقة عالية الأداء بشكل كبير على الرغم من تقليص جهد الإمداد إلى أقل من (1) فولت، ووفقاً لذلك، أصبح الجهد المنخفض وتموج الإخراج المنخفض والطاقة العالية والاستجابة السريعة العابرة والكفاءة العالية من أهم معايير التصميم لمحولات (DC-DC).

وغالباً ما تستخدم المحولات التقليدية أنظمة التحكم في تعديل عرض النبضة (PWM) مثل وضع الجهد أو الوضع الحالي لتنظيم جهد الخرج، ومع ذلك يصعب تلبية مخططات التحكم هذه لمتطلبات الاستجابة السريعة العابرة بسبب عرض نطاق الحلقة المحدودة المحدود بتردد التبديل، كما تتميز المحولات الثابتة في الوقت (COT) القائمة على التموج بمزايا التصميم البسيط والاستجابة السريعة للحمل العابر.

وبالتالي فهي مناسبة للإلكترونيات عالية الطاقة الحالية، وعلى مدى السنوات العديدة الماضية، كما ركز العديد من الباحثين على حل المشكلات التالية في محولات (COT)، الأول هو مشكلة الاستقرار دون التوافقية، ولتلبية متطلبات تموج الخرج المنخفض، تعتمد المحولات عموماً مكثف خرج بمقاوم سلسلة مكافئ منخفض (ESR) لمنظمات الجهد المنخفض الحديثة.

ومع ذلك؛ فهو يعاني من الاستقرار دون التوافقي بسبب المرحلة المتأخرة لتموج جهد الخرج بالنسبة إلى تموج تيار المحرِّض، والثاني هو مشكلة تعويض الناتج (DC)، تعتمد محولات (COT) بشكل عام على التحكم في جهد الوادي، كما ويتم تنظيم وادي جهد الخرج إلى الجهد المحدد مسبقاً، لذلك؛ فإن إزاحة التيار المستمر تتناسب مع تموج جهد الخرج.

عندما يتم اعتماد مكثف خرج كبير (ESR)؛ فإن تموج جهد الخرج سيكون متناسباً تقريباً مع تيار الحمل، بالإضافة إلى ذلك، بحيث ينتج عن مكثف خرج أكبر من (ESR) تموج خرج أكبر، والثالثة هي مشكلة تغير التردد الكهربائي، وهو محول (COT) عبارة عن بنية خالية من الساعة، ويعاني من تباين حاد في التردد مع تغيرات جهد الدخل أو جهد الخرج أو تيار للحمل الكهربائي.

تصميم معمارية النظام الخاص بالعاكس الكهربائي الثابت

محولات (COT) التقليدية: في محولات (COT) يتم استخدام تموج جهد الخرج كمنحدر (PWM) للمقارنة مع الجهد المرجعي لتنظيم جهد الخرج، كما تحتوي إشارة التغذية المرتدة (VFB) على (VESR) لجهد تموج (ESR) والجهد المتموج لمكثف الخرج (VC)، كما تتناسب قيمة (VESR) مع تيار المحث (IL)، ولا يوجد تأخير زمني بينهما.

ومع ذلك؛ فإن جهد تموج المكثف (VC) له تأخير زمني بالنسبة إلى تيار المحث (IL)، لذلك عندما يهيمن (VC) على تموج جهد التغذية المرتدة؛ فإن إشارة التغذية الراجعة لها مرحلة تأخر كبيرة بالنسبة لتموج تيار المحرِّض، مما يؤدي إلى احتمال وجود مشكلة استقرار دون التوافقية، كما يتم استخدام مكثف خرج ذو (ESR) كبير بشكل عام لتوليد جهد تموج كافي لـ (ESR) في محولات (COT) التقليدية.

وبشكل عام، تتطلب المحولات ذات تموج جهد الخرج المنخفض مكثف خرج (ESR) منخفض، وفي هذه الحالة عادةً ما يتم حقن إشارة تموج خارجية تتناسب مع تيار المحرِّض في جهد التغذية المرتدة لتوليد تموج تغذية مرتدة كافٍ. تشبه إشارة التغذية المرتدة الناتجة إشارة التموج مع مكثف (ESR) كبير، وبهذه الطريقة يمكن أن تضمن طريقة الحقن المموج استقرار النظام الكهربائي.

هندسة المحول المقترح: تظهر بنية محول (COT) المقترح مع (EIC) وإلغاء إزاحة التيار المستمر في الشكل التالي (2)، كما يتم تقديم مرشح (RC) من الدرجة الأولى يتكون من (R1 -R2) و (C1)، وذلك لتوليد إشارة تموج (VRI) لمحاكاة تيار المحرِّض، كما يتتبع كاشف جهد الانحدار الحد الأدنى من الجهد لإشارة التموج التي تمت محاكاتها من خلال حلقة التغذية الراجعة السلبية.

كما تتبنى دائرة إلغاء الإزاحة (DC) مضخم تحويلية لإزالة قيمة التيار المستمر لإشارة تيار المحرِّض التي تمت مضاهاتها، وبعد ذلك يتم فرض إشارة تموج الحث التي تمت مضاهاتها (VEIC) على جهد التغذية المرتدة (VFB)، وذلك باستخدام دائرة تجميع لتوليد إشارة التغذية المرتدة الشاملة (VSUM)، كما تحتوي إشارة التغذية الراجعة الإجمالية على تموج كافٍ وتقارن بجهد مرجعي (VREF) لتوليد إشارة (PWM).

طريقة حقن التموج المقترحة: تحصل دائرة (EIC) على الرقاقة على إشارة التموج الحالية (VEIC)،وذلك من خلال استشعار إشارة الطور (VSW) فقط، وبعد ذلك يتم حقن إشارة التموج الحالية (VEIC) في حلقة التغذية المرتدة، كما ويتم تراكبها على جهد التغذية المرتدة الناتج (VFB) لتوليد معلومات التغذية المرتدة الشاملة (VSUM)، والتي تتم مقارنتها بالجهد الكهربائي المرجعي (VREF) لتنظيم جهد الخرج (VOUT).

وفي دائرة (EIC)، يتم إنشاء إشارة التموج الحالية للمحث (VRI) عن طريق تصفية إشارة الطور (VSW)، وذلك مع مرشح (RC) من الدرجة الأولى، وبعد ذلك تتم معالجة إشارة (VRI) بواسطة كاشف جهد الوادي للحصول على قيمة الوادي [VRI (VY)]، كما تتم إزالة قيمة الوادي [VRI (VY)]، وذلك من إشارة (VRI) لتوليد إشارة التيار المحرض التي تمت مضاهاتها (VEIC) بقيمة صفر وادي، كما يمكن الحصول على متوسط جهد (VRI) الذي يمثله (VRI-DC) على النحو التالي:

إلغاء تعويض (DC): يتميز مخطط التحكم المقترح بميزة أخرى تتمثل في عدم وجود تخالف تيار مستمر ناتج تقريباً عن طريق حقن إشارة تيار المحرِّض التي تمت مضاهاتها، والتي يمكن توضيحها من خلال مخطط التوقيت للمحولات الثابتة التقليدية والمُقترحة في الوقت المحدد الموضحة في الشكل التالي (3)، وذلك عندما يكون منخفضاً، بحيث تم اعتماد مكثف خرج السيراميك (ESR) وتموج جهد الخرج صغير، كما ويمكن تجاهل قيمة تموج جهد التغذية المرتدة (VFB) بشكل معقول.

لذلك، يتم عرض حالة عرض (VSUM) على الحالة، وذلك كما هو موضح في الشكل (3-a)، بحيث تتميز قيمة (DC) لـ (VRI) عموماً بمرشح (RC) من الدرجة الثانية بالطريقة التقليدية، وبعد ذلك ، تتم إزالة إشارة (VRI) على الإشارة الحالية المستحثة بمحاكاة (VEIC) بقيمة صفر في المنحدر، لذلك؛ فإن قيمة (DC) لإشارة التغذية المرتدة (VSUM) هي قيمة (VFB).

ونظراً لأن منحدر (VSUM) منتظم إلى (VREF)؛ فإن جهد التغذية المرتدة (VFB) له إزاحة (DC)، والتي تساوي حجم (VEIC)، وعلاوة على ذلك يعتمد حجم (VEIC) على جهد الدخل وجهد الخرج، كما وتحميل التيار الكهربائي، ونتيجة لذلك؛ فإن جهد التغذية المرتدة (VFB) أو جهد الخرج (VOUT) له إزاحة متغيرة للتيار المستمر.

ومن ناحية أخرى، تستبدل الطريقة المقترحة مرشح (RC) التقليدي بكاشف جهد المنحدر، والذي يمكنه استخراج قيمة الهبوط لـ (VRI)، وذلك كما هو مبين في الشكل التالي (3-b)، بحيث تمت إزالة قيمة الانحدار [VRI (VY)] من إشارة (VRI) لتوليد إشارة (EIC VEIC) مع قيمة الوادي الصفرية، وبهذه الطريقة؛ فإن جهد الوادي لإشارة الجمع (VSUM) يساوي قيمة (VFB)، ونتيجة لذلك يتم دائماً تنظيم جهد التغذية المرتدة (VFB) إلى (VREF)، كما ويكون جهد الخرج (VOUT) به إزاحة قريبة من الصفر للتيار المستمر.