Mode de conduction continu dans un SMPS : Qu'est-ce que c'est et pourquoi est-ce important

Les alimentations à découpage semblent assez simples à concevoir et à analyser : on pourrait penser qu'il suffit de brancher l'alimentation murale pour obtenir une tension DC stable, n'est-ce pas ? Je pense que ce serait formidable si la conception des alimentations était aussi simple, mais ce n'est réellement pas le cas. Des éléments tels que la topologie, le choix des composants, les décisions de disposition, l'isolation et la mise à la terre influencent tous le bruit, la stabilité et les transitoires dans la réponse de sortie de l'alimentation. Un facteur qui n'est pas toujours considéré dans les alimentations à découpage est le mode de conduction, ou comment la section de stockage d'énergie et les composants libèrent de l'énergie pour fournir de la puissance aux bornes de sortie.

Le mode de conduction continu est souvent souhaité par défaut lors de la conception des alimentations, mais il existe également un mode de conduction discontinu qui peut être utilisé dans les alimentations à découpage. Pour résumer, cela signifie que l'énergie stockée dans une bobine d'une alimentation tombera à zéro dans le mode de conduction discontinu, et elle ne tombe jamais à zéro dans le mode de conduction continu. En ce qui concerne la livraison de puissance et ce que vous mesureriez, le courant dans la bobine traversera 0 A en raison du commutateur dans le mode discontinu, tandis qu'il ne traversera pas 0 A dans le mode continu.

Pourquoi est-ce important, et quel mode devrions-nous essayer d'atteindre dans une alimentation électrique ? Nous préférerions le mode continu, mais il est important de comprendre pourquoi nous pourrions nous retrouver en mode discontinu et quels compromis sont impliqués. Examinons certaines raisons de viser le mode de conduction continu dans la conception de votre régulateur et comment vous pouvez savoir si vous avez atteint le mode discontinu.

Pourquoi le Mode de Conduction Continu est Important

Comme mentionné précédemment, le mode de conduction continu dans une alimentation est atteint lorsque le courant dans la bobine de charge/décharge ne tombe jamais à 0 A ou ne le croise pas. Si vous regardez la forme d'onde du courant de l'inducteur dans un convertisseur à découpage, vous pouvez assez facilement déterminer si le système fonctionne en mode continu ou discontinu. Tant que le courant dans l'inducteur pointe toujours dans la même direction que le courant d'entrée, alors vous fonctionnez en mode de conduction continu.

Le graphique ci-dessous montre un exemple de ce qui peut se produire en mode discontinu. Ici, j'ai simulé une topologie buck simple avec un cycle de travail de 50 % à 100 kHz et un petit inducteur (seulement 500 nH) connecté à une charge très faible (10 Ohm). Nous voyons que le courant de l'inducteur chute brièvement à -40 mA pendant que l'interrupteur est activé en raison d'un dépassement dans la forme d'onde transitoire. Lorsque l'interrupteur est désactivé, nous voyons que le circuit en état OFF est un oscillateur RLC sous-amorti, où le courant de l'inducteur oscille autour de 0 A avant le prochain cycle PWM. Notez que le pic dans la réponse transitoire atteint environ -200 mA pendant cette oscillation avec un sonnerie significatif, ce qui en fait un courant d'inducteur plutôt indésirable.

À la lumière du graphique ci-dessus, il est légitime de se demander : pourquoi nous soucions-nous du mode de conduction continu ? Il y a plusieurs raisons :

1. En mode de conduction discontinu, la tension de sortie dépend du cycle de travail, de la taille de l'inducteur, de la fréquence PWM et de la valeur de la tension d'entrée. En mode de conduction continu, la tension de sortie dépend uniquement du cycle de travail PWM.
2. Cela signifie que simplement ajuster le cycle de travail pour compenser les changements dans la tension d'entrée n'est plus une stratégie de contrôle utile en mode discontinu.
3. Comme nous le voyons ci-dessus, en mode de conduction discontinu, il existe une réponse transitoire potentiellement indésirable dans le courant de l'inducteur qui peut se propager à la tension de sortie.
4. La réponse transitoire dans le courant de l'inducteur peut être sous-amortie avec un certain effet de cloche pendant la commutation PWM, conduisant à une émission d'EMI à courants élevés.

Au point 1 ci-dessus, j'ai ignoré tout effet non linéaire dans le commutateur MOSFET, mais ces points restent valables quelles que soient les circonstances. Si vous concevez un convertisseur de puissance pour fonctionner à une fréquence et un rapport cyclique PWM spécifiques, et qu'il n'y a pas de détection de rétroaction ou d'ajustement PWM, alors vous n'êtes probablement pas préoccupé par le mode de conduction continu. Tant que vous obtenez la puissance que vous voulez et que l'EMI n'est pas trop terrible, alors ne vous en faites pas. Les systèmes réels qui nécessitent un contrôle précis sur la sortie du régulateur et une faible EMI devraient opter pour des conceptions en mode de conduction continu car il n'y a qu'un seul levier nécessaire pour compenser les changements dans la tension de sortie.

Concevoir pour le Mode de Conduction Continu

Si la charge dans le système est trop faible, votre SMPS passera en mode de conduction discontinu. Le processus de conception pour le mode de conduction continue suit un processus spécifique : sélectionnez la tension de sortie souhaitée, calculez les valeurs d'inductance de la bobine et de capacité de sortie, et sélectionnez les paramètres du driver PWM. Ces tâches peuvent être effectuées pour une valeur de résistance de charge cible.

Ce qui se passe en mode discontinu

Lorsque vous fonctionnez en mode de conduction discontinu, la tension de sortie dépendra de la valeur de l'inducteur, de la fréquence PWM et du rapport cyclique. Pour des topologies simples avec une seule source PWM et un MOSFET, la tension de sortie est donnée par les équations suivantes :

Les équations ci-dessus sont bien connues. Je ne fais pas souvent référence à Wikipedia, mais leurs articles sur les convertisseurs buck et boost contiennent les dérivations de ces équations. Suivez leurs étapes si vous voulez dériver des expressions pour des topologies de convertisseur plus complexes et déterminer la tension de sortie, le courant de l'inducteur, et la frontière entre la conduction discontinue et continue.

Choisissez le bon inducteur pour le mode de conduction continue

Il y a aussi quelques autres points à noter tant à partir des équations ci-dessus que de la fonction de base d'un inducteur dans un convertisseur DC-DC :

• L'inducteur doit généralement être grand pour amortir le courant ondulatoire. Il s'avère qu'il existe également une valeur minimale d'inductance qui garantira un fonctionnement en mode de conduction continu. D'après ce qui précède, nous voyons que le correct en mode discontinu disparaît lorsque L tend vers l'infini.
• Le condensateur de sortie doit également être grand, à la fois pour supprimer l'ondulation et pour assurer une décharge lente lorsque l'inducteur libère de l'énergie. Il existe une valeur de capacité de sortie minimale pour un courant ondulatoire et une charge donnés qui garantira que la conception fonctionne en mode de conduction continu.

Alors que les équations pour la capacité minimale et l'inductance se trouvent dans de nombreuses notes d'application pour les conceptions de base buck/boost, les topologies plus complexes peuvent être difficiles à analyser, et les simulations SPICE peuvent être utilisées pour déterminer la résistance de charge minimale qui garantira que votre convertisseur fonctionne en mode de conduction continu.

Ce qu'il faut évaluer dans votre conception

De toute évidence, le courant de l'inducteur doit être évalué dans une simulation SPICE lors de la vérification du fonctionnement en mode de conduction continu. La stratégie de conception pour s'assurer que le courant de l'inducteur ne tombe pas à zéro pendant la commutation consiste à itérer à travers des valeurs pour d'autres éléments du circuit, à savoir les valeurs de capacité de sortie et de résistance de charge. Parcourez différentes valeurs de charge et de condensateur pour trouver une région où le courant de l'inducteur reste positif pour vos paramètres PWM choisis.

Les effets non linéaires dans le MOSFET influenceront également le temps de montée/descente du courant de l'inducteur, donc la tension de commande PWM et la gamme de valeurs d'entrée pourraient aussi être des candidats de conception pour éviter un fonctionnement discontinu. Assurez-vous d'avoir un modèle de simulation valide pour vos MOSFETs et utilisez des balayages en continu pour repérer la plage linéaire pour votre convertisseur lors de la sélection des paramètres PWM.

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