磁気絶縁による複数の独立した補助電源の設計

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図1 : スイッチドタンクコンバータ (STC)

ブートストラップ回路を採用すると、回路の各段で一定の電圧降下が発生し、その結果、デバイスの伝導状態が一貫性のないものになります。複数の独立した電源を使用すると、追加コストが発生します。

モジュラー マルチレベル コンバータ (MMC) では、モジュールの数が多いため、ゲートレベル ドライバ回路に電力を供給するために多くの独立した電源が必要になります。これにより、コストと複雑さの問題が生じます。MPSのHR1211は、マルチモードPFCおよび電流モードLLCコンボコントローラであり、新しい補助電源方式に適用して、パワーエレクトロニクス コンバータに対して相互に絶縁され信頼性の高いマルチチャネルの独立した電源を提供できます。

トランスミッタで独立した電源を使用するワイヤレス電源は、複数の受信コイルを介して磁気絶縁された複数の分離した補助電源を提供できます。図2は、HR1211、MP1907AのMOSFETドライバ、およびMPQ2029-AEC1の低ドロップアウト (LDO) レギュレータを組み込んだ複数の独立した補助電源を示しています。この設計スキームは、ワイヤレスエネルギー伝送システムを使用して、マルチチャネル磁気絶縁を実現します。

図2 : HR1211、MP1907A、およびMPQ2029-AEC1による複数の独立した補助電源

図3は、絶縁型独立補助電源ワイヤレス充電システムのトポロジーを示しています。このシステムのパラメータは次のように定義されています (ここで、x = 1、2、3、または 4) :

• V_INVはインバータのDC入力電圧
• L_Tは送信コイル
• L_Fは補償インダクタ
• L_Rxは受信コイル
• C_T、C_F、C_Rxは補償コンデンサ
• M_xは送信コイルと受信コイル間の相互インダクタンス (L_Rx)
• V_RECx Nチャンネル整流器のDC出力電圧
• R_Lxは Nチャネル負荷抵抗

図3 : クアッドレシーバワイヤレス充電システムトポロジー

図4に有限要素シミュレーション ソフトウェアに基づくコイル構造モデルを示します。

図4 : カップリング機構の設計

図5は、互いに分離された4つの受信コイルの対応するPCBコイルを示しています。

図5 : 送信コイルと受信コイルのPCB図

この方式はシンプルで信頼性が高く、電気絶縁および絶縁レベルの要件を満たしています。MPSの製品は、PFCおよびLCCコンボコントローラ、インバータモジュール、LDOレギュレータにわたってマルチチャネル絶縁を備えた補助電源設計に幅広く適用できます。

PFCおよびLLCコンボコントローラ

力率改善 (PFC) は、電力網からの交流 (AC) を直流 (DC) に変換します。エネルギーは送信コイルを介して送信側から受信側に伝達されます。

HR1211は、UARTインタフェース経由で設定可能です。統合された省電力テクノロジーにより、動作電圧幅全体にわたって効率を最適化できます。PFCコントローラは、特許取得済みのデジタル平均電流制御方式を使用して、混合の連続導通モード (CCM) と不連続導通モード (DCM) を実現します。

重負荷下では、CCMはMOSFETのピーク電流を低減し、コントローラの負荷範幅を拡張します。軽負荷時において、DCMはスイッチング周波数を低減し、効率を高くしますバーストモードには、設定可能なデジタルソフトスイッチングを使い、軽負荷時の効率と可聴ノイズを改善します。

LLCステージは電流制御モードを採用し、優れた安定性と高速応答を実現します。負荷条件に応じて、定常状態モード、周波数ホッピングモード、バーストモードの3つの異なる動作モードを実装できます。このようにして、異なる負荷条件下での効率を個別に最適化できます。軽負荷では、周波数制御されたデジタル バーストモードにより、スイッチング電力損失と可聴ノイズが低減されます。さらに、アダプティブデッドタイム調整 (ADTA) と共振はずれ保護 (CMP) により、共振はずれを必要とせずにゼロ電圧スイッチング (ZVS) が保証されます。

HR1211は、内部の高電圧 (HV) 電流源を使用して起動できます。これにより、従来の起動抵抗や外部回路が不要になります。AC信号が失われると、HV電流源がXコンデンサディスチャージャとして機能し、容量性抵抗器が不要になります。サーマルシャットダウン、PFCオープンループ保護 (OLP)、過電圧保護 (OVP)、過電流制限 (OCL)、LLC過電流保護 (OCP)、SOピン保護、および過電力保護 (OPP) などを含む、さまざまな保護が提供されます。図6は、HR1211の代表的なアプリケーション回路です。

図6 : HR1211の代表的なアプリケーション回路

インバータモジュール

インバータは、DC電圧を標準周波数85kHzのAC電圧に変換します。MOSFETには十分な耐圧と放熱性が必要です。デジタルシグナルプロセッサ (DSP) は、MOSFETのスイッチングを制御するドライバ回路へのパルス幅変調 (PWM) 信号を生成します。MP1907Aは、高周波で100Vのハーフブリッジ、NチャネルのパワーMOSFETドライバです。ローサイド (LS) とハイサイド (HS) のドライブチャネルは独立して制御され、5ns未満の時間遅延で一致します。HSとLSの両方の駆動電圧に対する低電圧誤動作防止機能 (UVLO) 保護により、電力供給が不十分な場合には出力が強制的にLowになります。いずれかの入力の立ち上がりエッジが検出されるまで、両方の出力はLowのままです。統合されたブートストラップ (BST) ダイオードにより、外付け部品の数が削減されます。MP1907Aは、QFN-10 (3mm x 3mm) パッケージで提供されます。

図7は、 MP1907Aの代表的なアプリケーション回路です。

図7 : MP1907Aの代表的なアプリケーション回路

図8にインバータ回路設計の概略図を示します。

図8 : インバータ回路の配線図

低ドロップアウト (LDO) レギュレータ

LDOレギュレータは、たとえ入力電圧 (V_IN) または負荷電流が変化した場合にも、安定した出力電圧 (V_OUT) を維持するDCステップダウンリニアレギュレータです。最新のLDO回路は、小型、低ノイズ、低消費電力、低価格、そして使いやすさを特徴としています。

MPQ2029-AEC1は、高電圧バッテリーを使用してシステムに電力を供給する低電力リニアレギュレータです。このデバイスは3V～40VのV_IN範囲、LDO電圧、および低い自己消費電流を提供します。低静止電流と低ドロップアウト電圧により、非常に低い電力レベルでの動作が可能になるため、MPQ2029-AEC1は低電力マイクロコントローラやバッテリー動作機器に最適です。

MPQ2029-AEC1は1.25V～15Vの範囲の調整可能なV_OUTを提供します。レギュレータの出力電流は内部で制限され、デバイスは短絡、過負荷、および過熱状態から保護されます。MPQ2029-AEC1は、SOIC-8EPパッケージで提供されます。

図9は、MPQ2029-AEC1の代表的なアプリケーション回路です。

図9 : MPQ2029の代表的なアプリケーション回路

結論

本稿では、HR1211、MP1907A、 そしてMPQ2029-AEC1を使用して、マルチチャネル、磁気的に絶縁された独立補助電源スキームを実現するために、複数の独立した補助電源とワイヤレス電力伝送システムの設計について検討しました。ブートストラップ回路を使用して補助電源に電力を供給する従来の方式と比較して、独立した電源を使用することには、シンプルで信頼性が高く、低コストであるという利点があります。

詳細については、PFC/LLCコントローラ、MOSFETドライバ、そしてLDOの幅広い選択肢をご覧ください。

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