Modo de Conducción Continua en un SMPS: Qué es y Por Qué es Importante

Las fuentes de alimentación conmutadas parecen lo suficientemente simples de diseñar y analizar: parece que conectas la energía de la pared, y obtienes un voltaje DC estable, ¿verdad? Creo que sería genial si el diseño de fuentes de alimentación fuera tan simple, pero realmente no es el caso. Aspectos como la topología, selección de componentes, decisiones de diseño, aislamiento y tierra influyen en el ruido, estabilidad y transitorios en la respuesta de salida de la fuente. Un factor que no siempre se considera en las fuentes de alimentación conmutadas es el modo de conducción, o cómo la sección de almacenamiento de energía y los componentes liberan energía para entregar potencia a los terminales de salida.

El modo de conducción continua es a menudo deseado por defecto al diseñar fuentes de alimentación, pero también hay un modo de conducción discontinua que se puede acceder en las fuentes de alimentación conmutadas. Para resumir lo que esto significa, la energía almacenada en una bobina en una fuente de alimentación caerá a cero en el modo de conducción discontinua, y nunca cae a cero en el modo de conducción continua. En cuanto a la entrega de potencia y lo que medirías, la corriente en la bobina cruzará 0 A debido al conmutado en el modo discontinuo, mientras que no cruzará 0 A en el modo continuo.

¿Por qué es esto importante y qué modo deberíamos intentar alcanzar en una fuente de alimentación? Preferiríamos el modo continuo, pero es importante entender por qué podríamos terminar en el modo discontinuo y qué compromisos están involucrados. Veamos algunas razones para optar por el modo de conducción continua en el diseño de tu regulador y cómo puedes saber si has alcanzado el modo discontinuo.

Por qué el Modo de Conducción Continua es Importante

Como se mencionó anteriormente, el modo de conducción continua en una fuente de alimentación se alcanza cuando la corriente en la bobina de carga/descarga nunca cae a o cruza 0 A. Si observas la forma de onda de la corriente del inductor en un convertidor conmutado, puedes ver bastante fácilmente si el sistema está operando en el modo continuo o discontinuo. Mientras la corriente en el inductor siempre esté apuntando en la misma dirección que la corriente de entrada, entonces estás operando en el modo de conducción continua.

La gráfica a continuación muestra un ejemplo de lo que puede suceder en el modo discontinuo. Aquí, he simulado una topología buck simple con un ciclo de trabajo del 50% a 100 kHz y un pequeño inductor (solo 500 nH) conectado a una carga muy pequeña (10 Ohm). Aquí, vemos que la corriente del inductor brevemente cae a -40 mA mientras el interruptor está activado debido a la caída por debajo de lo esperado en la forma de onda transitoria. Cuando el interruptor está apagado, vemos que el circuito en estado apagado es un oscilador RLC subamortiguado, donde la corriente del inductor oscila alrededor de 0 A antes del siguiente ciclo PWM. Note que el pico en la respuesta transitoria alcanza aproximadamente -200 mA durante esta oscilación con un timbre significativo, haciendo esto una corriente del inductor bastante indeseada.

A la luz de la gráfica anterior, es una pregunta justa preguntar: ¿por qué nos importa el modo de conducción continua? Hay varias razones:

1. En el modo de conducción discontinua, el voltaje de salida depende del ciclo de trabajo, el tamaño del inductor, la frecuencia PWM y el valor del voltaje de entrada. En el modo de conducción continua, el voltaje de salida solo depende del ciclo de trabajo PWM.
2. Esto significa que simplemente ajustar el ciclo de trabajo para compensar los cambios en el voltaje de entrada ya no es una estrategia de control útil cuando se está en el modo discontinuo.
3. Como vemos arriba, en el modo de conducción discontinua, hay una respuesta transitoria potencialmente no deseada en la corriente del inductor que puede propagarse al voltaje de salida.
4. La respuesta transitoria en la corriente del inductor puede ser subamortiguada con cierto sonido de campana durante el conmutación PWM, lo que lleva a la emisión de EMI en corrientes altas.

En el punto 1 arriba, he ignorado cualquiera de los efectos no lineales en el MOSFET de conmutación, pero estos puntos son válidos independientemente. Si estás diseñando un convertidor de potencia para operar a una frecuencia y ciclo de trabajo PWM específicos, y no hay detección de retroalimentación o ajuste de PWM, entonces probablemente no te preocupes por el modo de conducción continua. Mientras obtengas la potencia que deseas y la EMI no sea demasiado terrible, entonces no te preocupes por ello. Los sistemas reales que requieren un control preciso sobre la salida del regulador y baja EMI deberían optar por diseños en modo de conducción continua ya que solo se necesita una palanca para compensar los cambios en el voltaje de salida.

Diseñando para el Modo de Conducción Continua

Si la carga en el sistema es demasiado baja, su SMPS entrará en el modo de conducción discontinua. El proceso para diseñar en el modo de conducción continua sigue un proceso específico: seleccionar el voltaje de salida deseado, calcular la inductancia de la bobina y los valores del condensador de salida, y seleccionar los parámetros del controlador PWM. Estas tareas se pueden realizar para un valor de resistencia de carga objetivo.

Qué Sucede en el Modo Discontinuo

Cuando opera en el modo de conducción discontinua, el voltaje de salida dependerá del valor del inductor, la frecuencia PWM y el ciclo de trabajo. Para topologías simples con una única fuente PWM y MOSFET, el voltaje de salida se da por las siguientes ecuaciones:

Las ecuaciones anteriores son bien conocidas. No suelo referenciar a Wikipedia, pero sus artículos sobre convertidores buck y boost contienen las derivaciones de estas ecuaciones. Sigue sus pasos si quieres derivar expresiones para topologías de convertidores más complejas y determinar el voltaje de salida, la corriente del inductor y el límite entre la conducción discontinua y continua.

Elige el Inductor Correcto para el Modo de Conducción Continua

Hay un par de puntos más a notar tanto de las ecuaciones anteriores como de la función básica de un inductor en un convertidor DC-DC:

• El inductor generalmente debe ser grande para amortiguar la corriente de ondulación. Resulta que también hay un valor mínimo de inductor que asegurará la operación en modo de conducción continua. De lo anterior, vemos que lo correcto en modo discontinuo desaparece a medida que L → infinito.
• El capacitor de salida también debe ser grande, tanto para suprimir la ondulación como para asegurar una descarga lenta cuando el inductor está liberando energía. Hay un valor mínimo de capacitancia de salida para una corriente de ondulación y carga dados que asegurará que las operaciones de diseño en el modo de conducción continua.

Aunque las ecuaciones para la capacitancia mínima y la inductancia se encuentran en muchas notas de aplicación para diseños básicos de buck/boost, las topologías más complejas pueden ser difíciles de analizar, y las simulaciones SPICE se pueden utilizar para determinar la resistencia de carga mínima que asegurará que su convertidor opere en el modo de conducción continua.

Qué Evaluar en Su Diseño

Obviamente, la corriente del inductor debe evaluarse en una simulación SPICE al verificar la operación en modo de conducción continua. La estrategia de diseño para asegurar que la corriente del inductor no caiga a cero durante el conmutación es iterar a través de valores para otros elementos del circuito, a saber, los valores de capacitancia de salida y resistencia de carga. Ejecute diferentes valores de carga y capacitor para encontrar una región donde la corriente del inductor permanezca positiva para sus parámetros PWM elegidos.

Los efectos no lineales en el MOSFET también influirán en el tiempo de subida/bajada de la corriente del inductor, por lo que el voltaje de conducción PWM y el rango de valores de entrada también podrían ser candidatos de diseño para evitar la operación discontinua. Asegúrate de tener un modelo de simulación válido para tus MOSFETs y utiliza barridos de CC para identificar el rango lineal para tu convertidor al seleccionar los parámetros PWM.

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