Kontinuierlicher Leitbetrieb in einem SMPS: Was ist das und warum ist es wichtig

Getaktete Stromversorgungen scheinen einfach genug zu entwerfen und zu analysieren zu sein: Man steckt sie in die Steckdose, und man erhält eine stabile Gleichspannung, richtig? Ich fände es großartig, wenn das Design von Stromversorgungen so einfach wäre, aber das ist tatsächlich nicht der Fall. Dinge wie Topologie, Komponentenauswahl, Layout-Entscheidungen, Isolation und Erdung beeinflussen alle das Rauschen, die Stabilität und die Transienten in der Ausgangsantwort der Versorgung. Ein Faktor, der bei Schaltnetzteilen nicht immer berücksichtigt wird, ist der Leitungsmodus oder wie der Energiespeicherabschnitt und die Komponenten Energie freisetzen, um Leistung an die Ausgangsklemmen zu liefern.

Der kontinuierliche Leitungsmodus wird oft standardmäßig gewünscht, wenn Stromversorgungen entworfen werden, aber es gibt auch einen diskontinuierlichen Leitungsmodus, der bei Schaltnetzteilen genutzt werden kann. Zusammengefasst bedeutet dies, dass die in einer Spule in einer Stromversorgung gespeicherte Energie im diskontinuierlichen Leitungsmodus auf null fällt, und sie fällt im kontinuierlichen Leitungsmodus nie auf null. Was die Leistungsabgabe und das, was man messen würde, angeht, so wird der Strom in der Spule aufgrund des Schaltens im diskontinuierlichen Modus 0 A kreuzen, während er im kontinuierlichen Modus nicht 0 A kreuzen wird.

Warum ist das wichtig und welchen Modus sollten wir bei einem Netzteil anstreben? Wir würden den kontinuierlichen Modus bevorzugen, aber es ist wichtig zu verstehen, warum wir möglicherweise im diskontinuierlichen Modus enden und welche Kompromisse damit verbunden sind. Lassen Sie uns einige Gründe betrachten, warum wir im Reglerdesign den kontinuierlichen Leitungsmodus anstreben sollten und wie Sie feststellen können, ob Sie den diskontinuierlichen Modus erreicht haben.

Warum der kontinuierliche Leitungsmodus wichtig ist

Wie oben erwähnt, wird der kontinuierliche Leitungsmodus in einem Netzteil erreicht, wenn der Strom in der Lade-/Entladespule niemals auf 0 A fällt oder diesen Wert kreuzt. Wenn Sie sich die Wellenform des Induktorstroms in einem Schaltwandler ansehen, können Sie ziemlich leicht erkennen, ob das System im kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Modus arbeitet. Solange der Strom im Induktor immer in die gleiche Richtung wie der Eingangsstrom zeigt, dann arbeiten Sie im kontinuierlichen Leitungsmodus.

Das folgende Diagramm zeigt ein Beispiel dafür, was im diskontinuierlichen Modus passieren kann. Hier habe ich eine einfache Buck-Topologie mit 50 % Tastverhältnis bei 100 kHz und einer kleinen Induktivität (nur 500 nH) simuliert, die mit einer sehr kleinen Last (10 Ohm) verbunden ist. Hier sehen wir, dass der Induktorstrom kurzzeitig auf -40 mA fällt, während der Schalter eingeschaltet ist, aufgrund von Unterschwingungen in der transienten Wellenform. Wenn der Schalter ausgeschaltet ist, sehen wir, dass der OFF-Zustandskreis ein unterdämpfter RLC-Oszillator ist, bei dem der Induktorstrom um 0 A oszilliert, bevor der nächste PWM-Zyklus beginnt. Beachten Sie, dass der Spitzenwert der transienten Antwort während dieser Oszillation etwa -200 mA erreicht, mit signifikantem Klingeln, was dies zu einem eher unerwünschten Induktorstrom macht.

Angesichts des obigen Diagramms ist es eine berechtigte Frage zu fragen: Warum kümmern wir uns um den kontinuierlichen Leitungsmodus? Es gibt mehrere Gründe:

1. Im diskontinuierlichen Leitungsmodus hängt die Ausgangsspannung vom Tastverhältnis, der Induktivitätsgröße, der PWM-Frequenz und dem Eingangsspannungswert ab. Im kontinuierlichen Leitungsmodus hängt die Ausgangsspannung nur vom PWM-Tastverhältnis ab.
2. Dies bedeutet, dass die einfache Anpassung des Tastverhältnisses zur Kompensation von Änderungen in der Eingangsspannung keine nützliche Steuerstrategie mehr ist, wenn man sich im diskontinuierlichen Modus befindet.
3. Wie wir oben sehen, gibt es im diskontinuierlichen Leitungsmodus eine potenziell unerwünschte transiente Reaktion im Induktorstrom, die sich auf die Ausgangsspannung ausbreiten kann.
4. Die transiente Reaktion im Induktorstrom kann unterdämpft sein, mit einigem Klingeln während des PWM-Schaltens, was zu EMI-Emissionen bei hohen Strömen führt.

Im Punkt 1 oben habe ich alle nichtlinearen Effekte im schaltenden MOSFET ignoriert, aber diese Punkte sind unabhängig davon gültig. Wenn Sie einen Leistungswandler entwerfen, der bei einer spezifischen PWM-Frequenz und Tastverhältnis arbeiten soll, und es keine Rückkopplungserfassung oder PWM-Anpassung gibt, dann machen Sie sich wahrscheinlich keine Sorgen über den kontinuierlichen Leitungsmodus. Solange Sie die Leistung erhalten, die Sie wollen, und EMI nicht zu schrecklich ist, dann machen Sie sich keine Sorgen darüber. Reale Systeme, die eine präzise Kontrolle über den Reglerausgang und niedrige EMI benötigen, sollten sich für Entwürfe im kontinuierlichen Leitungsmodus entscheiden, da nur ein Hebel benötigt wird, um Änderungen in der Ausgangsspannung zu kompensieren.

Entwurf für den kontinuierlichen Leitungsmodus

Wenn die Last im System zu niedrig ist, wird Ihr SMPS in den diskontinuierlichen Leitungsmodus übergehen. Der Prozess für das Design im kontinuierlichen Leitungsmodus folgt einem spezifischen Prozess: Wählen Sie die gewünschte Ausgangsspannung, berechnen Sie die Induktivität der Spule und die Werte des Ausgangskondensators und wählen Sie die PWM-Treiberparameter. Diese Aufgaben können für einen Zielwiderstandswert der Last durchgeführt werden.

Was passiert im diskontinuierlichen Modus

Wenn Sie im diskontinuierlichen Leitungsmodus arbeiten, hängt die Ausgangsspannung vom Induktivitätswert, der PWM-Frequenz und dem Tastverhältnis ab. Bei einfachen Topologien mit einer einzigen PWM-Quelle und MOSFET wird die Ausgangsspannung durch die folgenden Gleichungen gegeben:

Die obigen Gleichungen sind wohlbekannt. Ich beziehe mich nicht oft auf Wikipedia, aber ihre Artikel über Buck- und Boost-Wandler enthalten die Ableitungen dieser Gleichungen. Folgen Sie ihren Schritten, wenn Sie Ausdrücke für komplexere Wandler-Topologien ableiten und die Ausgangsspannung, den Induktorstrom und die Grenze zwischen diskontinuierlichem und kontinuierlichem Leitungsmodus bestimmen möchten.

Wählen Sie den richtigen Induktor für den kontinuierlichen Leitungsmodus

Es gibt ein paar weitere Punkte, die sowohl aus den obigen Gleichungen als auch aus der grundlegenden Funktion eines Induktors in einem DC-DC-Wandler zu beachten sind:

• Die Induktivität sollte im Allgemeinen groß sein, um den Ripple-Strom zu dämpfen. Wie sich herausstellt, gibt es auch einen minimalen Induktivitätswert, der den Betrieb im kontinuierlichen Leitungsmodus sicherstellt. Aus dem Obigen sehen wir, dass das Korrekte im diskontinuierlichen Modus verschwindet, wenn L gegen Unendlich strebt.
• Der Ausgangskondensator sollte ebenfalls groß sein, sowohl um das Ripple zu unterdrücken als auch um eine langsame Entladung zu gewährleisten, wenn die Induktivität Energie freisetzt. Es gibt einen minimalen Ausgangskapazitätswert für einen gegebenen Ripple-Strom und Last, der sicherstellt, dass die Designoperationen im kontinuierlichen Leitungsmodus erfolgen.

Während die Gleichungen für minimale Kapazität und Induktivität in vielen Anwendungshinweisen für grundlegende Buck/Boost-Designs zu finden sind, können komplexere Topologien schwer zu analysieren sein, und SPICE-Simulationen können verwendet werden, um den minimalen Lastwiderstand zu bestimmen, der sicherstellt, dass Ihr Wandler im kontinuierlichen Leitungsmodus arbeitet.

Was in Ihrem Design zu bewerten ist

Offensichtlich sollte der Induktorstrom in einer SPICE-Simulation bewertet werden, wenn auf den Betrieb im kontinuierlichen Leitungsmodus geprüft wird. Die Designstrategie, um sicherzustellen, dass der Induktorstrom während des Schaltens nicht auf Null fällt, besteht darin, Werte für andere Schaltungselemente zu iterieren, nämlich die Werte für die Ausgangskapazität und den Lastwiderstand. Durchlaufen Sie verschiedene Last- und Kondensatorwerte, um einen Bereich zu finden, in dem der Induktorstrom für Ihre gewählten PWM-Parameter positiv bleibt.

Nichtlineare Effekte im MOSFET beeinflussen auch die Anstiegs-/Abfallzeit des Induktorstroms, daher könnten auch die PWM-Treiberspannung und der Bereich der Eingangswerte Designkandidaten sein, um diskontinuierlichen Betrieb zu vermeiden. Stellen Sie sicher, dass Sie ein gültiges Simulationsmodell für Ihre MOSFETs haben und nutzen Sie Gleichstrom-Sweeps, um den linearen Bereich für Ihren Wandler bei der Auswahl der PWM-Parameter zu ermitteln.

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