Dijital kontrollü çok fazlı senkronize DC-DC alçaltıcı çevirici tasarımı

Abstract

Günümüzde askeri alanlarda kullanılan mikro elektronik teknolojisindeki ilerlemeler mevcut güç kaynaklarının tasarımlarının yenilenmesini gerekli kılmıştır. Özellikle düşük çıkış voltajı ve yüksek akım kapasitesine sahip güç birimlerine olan gereksinimde büyük artış olmuştur. Bu süreçte yükteki ani akım değişim taleplerine hızlı cevap verebilen, yüksek enerji verimliliğine sahip, küçük boyut ve hacimli, esnek kontrol yapısı ile haberleşmeye uyumlu sistemlerin tasarımı öncelik ve önem kazanmıştır. Bu çalışmada bahsedilen talepleri karşılamak üzere Texas Instruments (TI) firması tarafından üretilen UCD9112 geliştirme kartı kullanılarak dijital kontrol yaklaşımı ile yüksek frekanslı iki fazlı senkronize DC-DC alçaltıcı çevirici mimarileri incelenmiştir. Bu amaçla, öncelikle, istenen özelliklere sahip bir kontrolün gerçeklenebilmesi amacıyla alçaltıcı çevirici güç katına ait küçük-sinyalli işaretler için modeller oluşturularak, sistemin açık çevrim transfer fonksiyonu elde edilmiştir. Daha sonra, elde edilen transfer fonksiyonuna göre analog kontrol tasarımı yaklaşımı ile istenilen çıkışı sağlayacak kompanzasyon parametreleri belirlenmiştir. Belirlenen bu analog kontrol kompanzasyon parametreleri kullanılarak, dijital kontrol için gerekli olan kompanzasyon katsayıları hesaplanmış ve UCD9112 dijital PWM kontrolörü programlanmıştır. Sonuç olarak, 12 V girişli 1.8 V ve 40 A çıkış kapasitesine sahip bir tasarım gerçeklenmiş ve test edilmiştir. Test sonuçları ile ileri elektronik sistemlerin yer aldığı askeri uygulamalardaki güç ihtiyaçlarını karşılamada dijital tabanlı yüksek frekanslı çok fazlı senkronize çeviricilerin avantajları ortaya konmuştur.

The advances in microelectronics used for military applications have resulted in a need to redesign and improve the quality of the power supplies used in various applications. Especially, demand for power supply modules with low output voltage and high current capabilities has increased considerably. Moreover, design of systems having fast response for load current variations, flexible control architecture enabling communication, high power conversion efficiency and smaller in size have achieved importance and precedence. In this project, a high frequency two phase synchronous DC-DC buck converter topology, which achieves these demands, has been studied and evaluated. The digital control implementation and evaluations were done using Texas Instruments product UCD9112 evaluation module. To design the control system, the open-loop transfer function of the power stage is obtained using the small signal models of the buck converter. Then, the compensation parameters, which provide the desired regulation requirements, are found using the analog control approach. Later, these parameters are used to determine the compensation coefficients required for the digital control implementation within the UCD9112 digital PWM controller. Finally, a design with 12 V input and 1.8 V output with 40 A output capability has been evaluated experimentally. The test results demonstrate the advantages of digital control in the design of high frequency multiphase synchronous DC-DC converters and show the potential of such converters in supplying the power requirements of the military loads.