Es posible una fuente de alimentación de alta frecuencia y alta densidad Nitruro de galio (GaN) Estos dispositivos son ideales para aplicaciones aeroespaciales, de transporte y médicas. Se deben considerar ciertos pasos de diseño al diseñar la placa de circuito impreso (PCB) y los componentes. Por ejemplo, los trazados y diseños multicapa que utilizan vías de cobre minimizan la longitud de las rutas de conducción y, en consecuencia, minimizan los elementos parásitos. Conectar un sensor de corriente a una PCB no es una tarea fácil. La mayoría de los sensores modernos requieren trazas separadas dentro y fuera del módulo del sensor. También se debe agregar un área de placa específica para disipar el calor generado por la corriente que fluye hacia el sensor a través de las pistas divididas. Los sensores de corriente sin contacto reducen la longitud de las trazas y no requieren consideraciones térmicas adicionales más allá de la temperatura de funcionamiento del convertidor. Sin embargo, hay algunos factores de diseño a considerar. Este artículo describe tres diseños diferentes que afectan la medición de sensores de corriente sin contacto no invasivos desarrollados por Tell-i. Este convertidor es un convertidor GaN CC/CC bifásico de 6,7 MHz con entrada de 120 V CC. El sistema de alimentación secundario de la Estación Espacial Internacional utiliza 120 VCC como nivel de voltaje estándar (ISS).
SDK de convertidor de MHz multifásico
La placa SDK desarrollada por Tell-newly i utiliza 2 fases para superar las velocidades de conmutación normales, gracias a la alta densidad de potencia y la conmutación ultrarrápida de los MOSFET de GaN. La configuración multifase permite que el convertidor intercalado logre una conmutación efectiva a 3 MHz, 5 MHz y excelente 6,87 MHz mientras admite el voltaje de bus estándar de 120 V utilizado en sistemas como la Estación Espacial Internacional (ISS).
Figura 1: Diseño de placa multifase multiMHz. Dimensiones: 2.94″ x 2.61″.
La inductancia parásita y la capacitancia parásita son inconvenientes significativos en la conmutación de alta frecuencia. Un diseño de MOSFET GaN no óptimo puede provocar tiempos prolongados de encendido y apagado, así como oscilaciones y picos no deseados en el sistema. El uso de cuatro transistores EPC2019 GaN y dos controladores de compuerta LMG1210 para controladores de compuerta pequeños y bucles de alimentación da como resultado un diseño óptimo y compacto. Los condensadores de desacoplamiento de alta frecuencia se utilizan en las configuraciones óptimas de bucle de potencia recomendadas empíricamente por EPC. Figura 2 Optimice su circuito de alimentación. Los FET EPC GaN utilizan cuatro bancos de capacitores de manera similar para aumentar la capacitancia del lazo y reducir los parásitos del lazo. Ambos semipuentes están conectados mediante inductores conectando los nodos de conmutación en paralelo.
Figura 2: Configuración óptima del bucle de potencia para conmutación de alta frecuencia recomendada por EPC Co.
La corriente promedio a través del convertidor se calcula al monitorear la corriente del inductor. El sensor de corriente DS10.2m de Tell-i Technologies es una combinación ideal, ya que presenta una salida aislada sin contacto ultrarrápida (ancho de banda DC-10MHz) con optimización de convertidor. Estos son los resultados para una placa multifase de MHz a 120 V, 6,78 MHz.
Figura 3: Resultado de la placa multifase multiMHz en configuración de convertidor reductor. Funciona a una frecuencia de conmutación efectiva de 6,78 MHz.
A la frecuencia de 6,78 MHz generada por el convertidor intercalado, el sensor de corriente DS10.2m (azul) se muestra después de la medición de referencia de corriente del inductor (rosa). Usando tecnología magnetorresistiva, los sensores de corriente deben seguir estrictas consideraciones de diseño para detectar correctamente la corriente. Para verificar la importancia del diseño, probamos tres diseños diferentes utilizando un sensor de corriente. El área efectiva de DS10.2m es donde se realizan los cambios.
Consideraciones de diseño
Centrándose solo en el área alrededor del sensor actual, los tres diseños diferentes son ejemplos de una mala y buena ubicación del diseño. El espacio libre se especifica como el área activa alrededor del sensor que contiene solo trazas a través de las cuales fluye la corriente. El área efectiva se especifica como el área alrededor de la traza de corriente y el sensor de corriente. Figura 4 Detalla las posibles rutas de corriente a través del diseño de PCB. Las flechas rojas indican flujo de corriente positivo/directo, las flechas azules indican flujo de corriente negativo/retorno y las flechas grises indican la dirección del campo magnético.
El diseño A no tiene espacio libre sobre el área activa. Aunque se justifica en un plano que contiene solo nodos de tierra/referencia, los resultados basados en la sensibilidad y la geometría de salida del sensor indican problemas de detección actuales. El diseño A no es óptimo.
El diseño B incluye algo de espacio libre por encima del área efectiva, lo que permite 50 milésimas de pulgada de espacio libre alrededor de la traza actual. Tenga en cuenta que todas las capas de la PCB tienen un área activa impuesta para eliminar la posibilidad de interferencia del campo magnético. Los resultados para el diseño B muestran una medición precisa del primer momento de conmutación, pero no se pueden obtener resultados posteriores debido a la interferencia de la corriente de retorno. El diseño B todavía no es óptimo.
El diseño C contiene la menor cantidad de volumen sobre el área activa, lo que permite 50 milésimas de pulgada de espacio libre alrededor del paquete del sensor actual. Se imponen espacios libres de diseño en todas las capas para permitir que solo fluyan los campos magnéticos traza dentro del área activa. Como se muestra en los resultados, el diseño C es el más adecuado para mediciones de corriente precisas y bien definidas. Dado que no hay interferencia de corriente de retorno, el sensor de corriente solo detecta la corriente que fluye a través de las trazas portadoras de corriente. El diseño C es el mejor diseño. Se puede mejorar aumentando el espacio libre a través del sensor.
Figura 4: Varias consideraciones sobre el diseño de la placa para el sensor de corriente Tell-i DS10.2m. (a) sin espacio libre sobre el área activa (b) algo de espacio libre sobre el área activa (c) limpieza mínima recomendada alrededor del área activa.
Figura 5: Resultados de varias consideraciones de diseño. (a) sin espacio libre sobre el área activa (b) algo de espacio libre sobre el área activa (c) limpieza mínima recomendada alrededor del área activa.
Conclusión
Un convertidor de alta frecuencia se puede realizar fácilmente con una disposición de diseño adecuada y óptima. También se pueden lograr frecuencias de hasta más de 1 MHz duplicando la frecuencia de conmutación efectiva utilizando técnicas multifase. Para medir la corriente promedio, el sensor de corriente ultrarrápido sin contacto DS10.2m de Tell-i se puede medir con precisión si se observa un cierto espacio libre alrededor del sensor. Los ingenieros recomiendan y prefieren salidas aisladas para eliminar las limitaciones térmicas y los cambios de diseño que requieren los sensores de corriente Hall o invasivos.
Figura 6: Diseño de sensor de corriente de última generación y sus consideraciones térmicas en comparación con el diseño de 10,2 m (Figura 1 derecha).