Понимание переключателя

Nov 14, 2023

Ранее я представил общий концептуальный обзор импульсного регулирования напряжения. Я хотел бы продолжить это теоретическое рассмотрение с тщательным исследованием поведения тока и напряжения с использованием LTSpice для моделирования импульсного понижающего преобразователя.

Схема, с которой мы будем работать, показана на рисунке 1. Она известна как понижающий или понижающий преобразователь.

Понижающий преобразователь можно использовать для выполнения общей задачи для схем управления питанием: снижения стандартного напряжения системного уровня, например 12 или 28 В, до напряжения 5 или 3,3 В, подходящего для низковольтных систем. электроника напряжения.

Я говорю «помогите», потому что топология на рисунке 1 представляет собой всего лишь силовой каскад импульсного стабилизатора. Это не полноценный стабилизатор, поскольку у него отсутствует обратная связь и, следовательно, он не может зафиксироваться на заданном выходном напряжении.

Прежде чем мы углубимся в моделирование и анализ, давайте обсудим несколько менее очевидных аспектов этой схемы LTspice:

Силовой ключ в схемах физических преобразователей обычно представляет собой полевой транзистор. В этой моделируемой схеме я использую переключатель, управляемый напряжением, характеристики которого определяются оператором .model MYSW SW(...). Характеристики переключения весьма благоприятны, но не совсем идеальны:

VSWITCH создает прямоугольную волну, которая включает и выключает переключатель. Используя оператор .param, я определил различные параметры, которые позволяют мне легко управлять характеристиками переключения клавиш. Я указываю частоту и рабочий цикл генератора — значения, необходимые моему мозгу для интуитивного мышления о поведении схемы. Они используются для расчета периода и времени, которые являются значениями, необходимыми для функции PULSE LTspice.

Выходной конденсатор является неотъемлемой частью работы преобразователя и поэтому необходим как в моделируемых, так и в физических схемах. Физическим схемам также необходим входной конденсатор, который служит важнейшей цели снижения импеданса источника и, таким образом, позволяет преобразователю более плавно получать интенсивные всплески тока от входного источника питания. Поскольку входной источник питания в моей реализации SPICE имеет нулевой последовательный импеданс, входной конденсатор не требуется.

Значения индуктивности (100 мкГн) и емкости (1 мкФ), показанные на рисунке 1, являются разумными отправными точками, которые я рассчитал, используя уравнения, приведенные в этой заметке к приложению TI. В следующей статье мы рассмотрим влияние номиналов конденсатора и катушки индуктивности.

Начнем с моделирования с рабочим циклом 50% и сопротивлением нагрузки 1 кОм. Рисунок 2 представляет собой график изменения выходного напряжения во времени. Обратите внимание, что выходному напряжению требуется некоторое время, чтобы достичь установившегося значения.

Импульсные преобразователи, в том числе переключатели на основе конденсаторов, которые мы называем зарядовыми насосами, имеют задержку запуска, соответствующую количеству времени, необходимому для зарядки выходного конденсатора. Это происходит практически в любой цепи, поскольку где-то всегда есть некоторая емкость, которую необходимо зарядить.

Однако при использовании переключателя время запуска может быть значительно дольше, поскольку зарядный ток ограничивается действием переключения и поскольку величина заряжаемой емкости относительно велика.

Как показано на рисунке 2, при входном напряжении 12 В установившееся выходное напряжение составляет около 10,5 В. Рабочий цикл составляет 50 %, так почему же выходное напряжение настолько превышает 50 % входного напряжения?

Если вы читали предыдущую статью, вы видели диаграмму (повторенную здесь на рисунке 3), на которой величина отфильтрованного напряжения напрямую соответствует рабочему циклу сигнала ШИМ.

Однако на этой диаграмме показан только эффект фильтрации сигнала ШИМ. тогда как в импульсном преобразователе рабочий цикл ШИМ является лишь одним из факторов, влияющих на соотношение VIN-VOUT. Я могу оставить рабочий цикл на уровне 50 % и существенно изменить выходное напряжение, изменив номинал катушки индуктивности, величину сопротивления нагрузки или частоту переключения.