為大型系統(tǒng)(例如電動自行車或儲能)供電的電池組由許多串聯和并聯的電池組成。每個電池在理論上都是相同的,但由于制造公差和化學差異,每個電池的行為通常略有不同。隨著時間的推移,由于不同的操作條件和老化,這些差異變得更加顯著,通過限制其可用容量或潛在地損壞電池來嚴重影響電池性能。為了避免這些危險情況,重要的是通過稱為電池平衡的過程定期串聯電池電壓。
在過去十年中,電池供電的應用已變得司空見慣,此類設備需要一定程度的保護以確保安全使用。電池管理系統(tǒng) (BMS) 監(jiān)控電池和可能的故障情況,防止電池出現性能下降、容量衰減甚至可能損害用戶或周圍環(huán)境的情況。
GaN晶體管是新功率應用的理想選擇。它們具有小尺寸、非常高的運行速度并且非常高效。它們可用于輕松構建任何電力項目。在本教程中,我們將使用 GaN Systems 的 GaN GS61008T 進行實驗。
隨著為個人計算機 (PC) 應用中的核心 DC-DC 轉換器開發(fā)的同步降壓轉換器的開關頻率向 1MHz-2MHz 范圍移動,MOSFET 損耗變得更高。由于大多數 CPU 需要更高的電流和更低的電壓,這一事實變得更加復雜。當我們添加其他控制損耗機制的參數(如電源輸入電壓和柵極驅動電壓)時,我們需要處理更復雜的現象。但這還不是全部,我們還有可能導致損耗顯著惡化并因此降低功率轉換效率 (ξ) 的次要影響。
在當前的全球能源危機中,重點是效率,電子產品正面臨著在提供高性能的同時降低功耗的艱巨挑戰(zhàn)。由于這場危機,世界各地的各種政府機構已經或正在尋求提高其各自規(guī)格中眾多產品的效率標準。使用傳統(tǒng)的硬開關轉換器將難以滿足這些效率規(guī)范。電源設計人員將需要考慮軟開關拓撲以提高效率并允許更高頻率的操作。
如果您使用過或查看過電池系統(tǒng),您很可能聽說過電池管理系統(tǒng)或 BMS。那么,如果它們都做同樣的事情,為什么 BMS 價格從 10 美元到幾千美元不等呢?一個適當的類比是問為什么機動運輸系統(tǒng)的價格差異如此之大,在這一范圍的一端是機動滑板,另一端是運輸卡車。讓我們仔細看看這個類比如何在電池管理系統(tǒng)中發(fā)揮作用。
使用本設計實例中描述的快速動態(tài)負載來測試電力系統(tǒng)的瞬態(tài)響應可以揭示許多關鍵的運行特性。快速電流階躍導致的電壓偏差可以提供對穩(wěn)壓器相位裕度的深入了解。此外,對于距離負載點有一定距離的電源,瞬態(tài)測試可以幫助確定有效的串聯互連電感、并聯電容和 ESR。雖然商業(yè)電源的相位裕度通常由供應商驗證,但添加遠程感應通常會破壞電源的穩(wěn)定性。互連電感和負載電容會在調節(jié)器控制回路反饋中引入額外的相移,從而影響穩(wěn)定性。
EPAD MOSFET 是一種有源器件,可在大量設計中用作基本電路元件。有許多電路可以利用它們。使用這些 EPAD MOSFET 器件的潛在設計和用途的數量僅受設計人員的需求和想象力的限制。
輸出短路保護固定頻率折返,折返工作頻率高,輸出短路保護效果會降低;折返工作頻率低,系統(tǒng)甚至進入到非連續(xù)工作模式,雖然保護效果好,但有可能導致輸出短路消除后輸出電壓無法恢復正常。如圖1所示,輸入24V、輸出12V的 DCDC變換器,輸出短路時,固定折返頻率為正常工作頻率的1/16,系統(tǒng)進入到非連續(xù)工作模式。
為物聯網應用選擇電子元件的兩個關鍵標準是功率預算和性能。自從電子產品問世以來,就一直在這兩者之間進行權衡——要么獲得最佳功耗,要么獲得最高性能。根據應用程序,系統(tǒng)架構師對系統(tǒng)中的不同組件有不同的要求。例如,系統(tǒng)可能需要高性能控制器但低功耗存儲器。一個典型的案例是可穿戴設備,其中控制器需要功能強大,但由于 SRAM 用作暫存器,因此預計它具有盡可能低的功耗。
盡管輸出電壓隨負載的變化在美學上令人不快,但該模型相對于前一個模型的優(yōu)勢是巨大的。它包含相同限制之間的輸出電壓,具有幾乎兩倍的 ESR,并且當我們將它們與允許的偏差進行比較時,誤差源和紋波電壓會變小,這通常是這種情況。將近兩倍的 ESR 意味著輸出電容器的數量幾乎減少了一半,從而大大降低了成本和尺寸。剩下的問題是:我們如何設計電源以具有此特性?
開關電源通常具有嚴格的靜態(tài)調節(jié)規(guī)范。使用廣泛可用的精密基準,我們無需任何初始調整即可在工作溫度范圍內輕松實現 ±1% 的精度。我們還必須處理電源的動態(tài)調節(jié)規(guī)范,制造商通常將其指定為瞬態(tài)負載的最大允許偏差,該瞬態(tài)負載具有規(guī)定的電流階躍和規(guī)定的最大允許壓擺率。這些規(guī)格以及恢復時間定義了瞬態(tài)后輸出電壓需要多長時間才能恢復到靜態(tài)限制范圍內。
在閾值電壓或低于閾值電壓時,EPAD MOSFET 在稱為亞閾值區(qū)域的工作區(qū)域中表現出關斷特性。這是 EPAD MOSFET 傳導通道根據施加的柵極電壓快速關閉的區(qū)域。由柵電極上的柵電壓引起的溝道呈指數下降,因此導致漏極電流呈指數下降。然而,通道不會隨著柵極電壓的降低而突然關閉,而是以每十倍電流下降約 110 mV 的固定速率下降。
ALD1148xx/ALD1149xx 產品是耗盡型 EPAD MOSFET,當柵極偏置電壓為 0.0V 時,它們是常開器件。耗盡模式閾值電壓處于 MOSFET 器件關斷的負電壓。提供負閾值,例如 –0.40V、-1.30V 和 –3.50V。在沒有電源電壓且 Vgs = 0.0V 的情況下,這些 EPAD MOSFET 器件已經開啟,并且在源極和漏極端子之間表現出受控的導通電阻。
尋求在電路設計中實現更低的工作電壓和更低的功耗水平是一種趨勢,這給電氣工程師帶來了艱巨的挑戰(zhàn),因為他們遇到了基本半導體器件特性對他們施加的限制。長期以來,工程師們一直將這些特性視為基本特性,并可能阻止他們最大限度地擴大可用電壓范圍,否則會使新電路取得成功。