Análisis del efecto de ajuste de conmutación suave en las cifras de mérito involucradas en el diseño de un amplificador de clase E con inductancia de alimentación de CC finita
Autores: Casallas, Ingrid; Urbina, Robert; Paez-Rueda, Carlos-Ivan; Perilla, Gabriel; Pérez, Manuel; Fajardo, Arturo
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2021
Acceso abierto
Artículo científico
2021
Análisis del efecto de ajuste de conmutación suave en las cifras de mérito involucradas en el diseño de un amplificador de clase E con inductancia de alimentación de CC finita
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Palabras clave
Diseño
Métodos de ajuste
Amplificador
Conmutación suave
Proceso de ajuste
FoMs
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 40
Citaciones: Sin citaciones
Este documento explora el diseño de un amplificador de Clase-E con inductancia finita de alimentación de CC utilizando tres métodos de ajuste. Además, este trabajo cuantifica los impactos del proceso de ajuste (referido en este documento como el efecto de ajuste) en las principales cifras de mérito (FoMs) de este amplificador. Los objetivos de ajuste eran garantizar dos condiciones: cero voltaje y cero derivada de voltaje de conmutación (es decir, ajuste de conmutación suave). Hasta donde saben los autores, no se han analizado métodos de ajuste sistemáticos antes para esta topología de amplificador. Dos de ellos se basan en el proceso de ajuste de componentes iterativos, y han sido explorados previamente en el diseño del amplificador de clase-E convencional con una inductancia de ahogamiento de RF. El último método de ajuste explora el ajuste simultáneo del período de la señal de control y un capacitor del amplificador. Los métodos de ajuste analizados fueron validados mediante extensas simulaciones de casos de estudio, que fueron diseñados siguiendo las especificaciones de potencia del estándar Qi. En el 100% y 96% de los casos de estudio, se lograron la conmutación de voltaje cero (ZVS) y la conmutación de voltaje de derivada cero (ZDS), respectivamente. Además, identificamos un comportamiento inesperado en el proceso de ajuste (referido en este documento como el punto de inflexión), que consistió en un cambio en la tendencia esperada del punto de conmutación suave (es decir, ZVS y ZDS), y ocurrió en el 21% de los casos de estudio. Cuando este comportamiento ocurrió y convergió al menos a ZVS, el proceso de ajuste requirió más iteraciones y un gran número de variables de ajuste. Además, después del proceso de ajuste, la distorsión armónica total y la capacidad de potencia de salida mejoraron (es decir, en el 78% y 61% de los casos de estudio, respectivamente), mientras que la potencia de salida, la eficiencia de drenaje y la eficiencia de potencia añadida empeoraron (es decir, en el 83%, 61% y 65% de los casos de estudio, respectivamente) en el conjunto de casos de estudio. Sin embargo, no pudimos identificar una mejora en las FoMs generales relacionadas con el ajuste de conmutación suave. Además, el impacto del ajuste fue significativo y produjo algunas mejoras y algunos efectos perjudiciales para las FoMs en cada caso de estudio, sin una tendencia clara por FoMs o por método de ajuste. Por lo tanto, el diseñador del amplificador puede elegir el método de ajuste más favorable y los compromisos de FoM relacionados para las especificaciones de diseño requeridas.
Descripción
Este documento explora el diseño de un amplificador de Clase-E con inductancia finita de alimentación de CC utilizando tres métodos de ajuste. Además, este trabajo cuantifica los impactos del proceso de ajuste (referido en este documento como el efecto de ajuste) en las principales cifras de mérito (FoMs) de este amplificador. Los objetivos de ajuste eran garantizar dos condiciones: cero voltaje y cero derivada de voltaje de conmutación (es decir, ajuste de conmutación suave). Hasta donde saben los autores, no se han analizado métodos de ajuste sistemáticos antes para esta topología de amplificador. Dos de ellos se basan en el proceso de ajuste de componentes iterativos, y han sido explorados previamente en el diseño del amplificador de clase-E convencional con una inductancia de ahogamiento de RF. El último método de ajuste explora el ajuste simultáneo del período de la señal de control y un capacitor del amplificador. Los métodos de ajuste analizados fueron validados mediante extensas simulaciones de casos de estudio, que fueron diseñados siguiendo las especificaciones de potencia del estándar Qi. En el 100% y 96% de los casos de estudio, se lograron la conmutación de voltaje cero (ZVS) y la conmutación de voltaje de derivada cero (ZDS), respectivamente. Además, identificamos un comportamiento inesperado en el proceso de ajuste (referido en este documento como el punto de inflexión), que consistió en un cambio en la tendencia esperada del punto de conmutación suave (es decir, ZVS y ZDS), y ocurrió en el 21% de los casos de estudio. Cuando este comportamiento ocurrió y convergió al menos a ZVS, el proceso de ajuste requirió más iteraciones y un gran número de variables de ajuste. Además, después del proceso de ajuste, la distorsión armónica total y la capacidad de potencia de salida mejoraron (es decir, en el 78% y 61% de los casos de estudio, respectivamente), mientras que la potencia de salida, la eficiencia de drenaje y la eficiencia de potencia añadida empeoraron (es decir, en el 83%, 61% y 65% de los casos de estudio, respectivamente) en el conjunto de casos de estudio. Sin embargo, no pudimos identificar una mejora en las FoMs generales relacionadas con el ajuste de conmutación suave. Además, el impacto del ajuste fue significativo y produjo algunas mejoras y algunos efectos perjudiciales para las FoMs en cada caso de estudio, sin una tendencia clara por FoMs o por método de ajuste. Por lo tanto, el diseñador del amplificador puede elegir el método de ajuste más favorable y los compromisos de FoM relacionados para las especificaciones de diseño requeridas.