Modalità di Conduzione Continua in un SMPS: Cos'è e Perché è Importante

Le alimentazioni a commutazione sembrano abbastanza semplici da progettare e analizzare: sembra che si colleghi l'alimentazione di rete e si ottenga una tensione DC stabile, giusto? Penserei che sarebbe fantastico se la progettazione dell'alimentatore fosse così semplice, ma in realtà non è così. Fattori come la topologia, la selezione dei componenti, le decisioni di layout, l'isolamento e la messa a terra influenzano tutti il rumore, la stabilità e i transitori nella risposta in uscita dell'alimentatore. Un fattore che non viene sempre considerato negli alimentatori a commutazione è la modalità di conduzione, o come la sezione di accumulo dell'energia e i componenti rilasciano energia per fornire potenza ai terminali di uscita.

La modalità di conduzione continua è spesso desiderata per impostazione predefinita nella progettazione degli alimentatori, ma esiste anche una modalità di conduzione discontinua che può essere accessa negli alimentatori a commutazione. Per riassumere cosa significa, l'energia immagazzinata in una bobina in un alimentatore scenderà a zero nella modalità di conduzione discontinua, e non scende mai a zero nella modalità di conduzione continua. Per quanto riguarda la consegna di potenza e ciò che si misurerebbe, la corrente nella bobina attraverserà 0 A a causa della commutazione nella modalità discontinua, mentre non attraverserà 0 A nella modalità continua.

Perché è importante e quale modalità dovremmo cercare di raggiungere in un alimentatore? Preferiremmo la modalità continua, ma è importante capire perché potremmo finire nella modalità discontinua e quali compromessi sono coinvolti. Vediamo alcune ragioni per optare per la modalità di conduzione continua nel design del regolatore e come si può capire se si è raggiunta la modalità discontinua.

Perché la Modalità di Conduzione Continua è Importante

Come accennato sopra, la modalità di conduzione continua in un alimentatore è raggiunta quando la corrente nella bobina di carica/scarica non scende mai a o attraversa 0 A. Se si osserva la forma d'onda della corrente dell'induttore in un convertitore a commutazione, si può facilmente vedere se il sistema sta operando in modalità continua o discontinua. Finché la corrente nell'induttore è sempre orientata nella stessa direzione della corrente di ingresso, allora si sta operando in modalità di conduzione continua.

Il grafico sottostante mostra un esempio di ciò che può accadere in modalità discontinua. Qui, ho simulato una semplice topologia buck con ciclo di lavoro del 50% a 100 kHz e un piccolo induttore (solo 500 nH) collegato a un carico molto piccolo (10 Ohm). Qui, vediamo che la corrente dell'induttore scende brevemente a -40 mA mentre l'interruttore è attivo a causa del sottoscillamento nella forma d'onda transitoria. Quando l'interruttore è spento, vediamo che il circuito in stato OFF è un oscillatore RLC sottosmorzato, dove la corrente dell'induttore oscilla intorno a 0 A prima del prossimo ciclo PWM. Notare che il picco nella risposta transitoria raggiunge circa -200 mA durante questa oscillazione con un significativo suono di campana, rendendo questa una corrente dell'induttore piuttosto indesiderata.

Alla luce del grafico sopra, è lecito chiedersi: perché ci interessa la modalità di conduzione continua? Ci sono diverse ragioni:

1. In modalità di conduzione discontinua, la tensione di uscita dipende dal ciclo di lavoro, dalla dimensione dell'induttore, dalla frequenza PWM e dal valore della tensione di ingresso. In modalità di conduzione continua, la tensione di uscita dipende solo dal ciclo di lavoro PWM.
2. Questo significa che semplicemente aggiustare il ciclo di lavoro per compensare i cambiamenti nella tensione di ingresso non è più una strategia di controllo utile quando si è in modalità discontinua.
3. Come possiamo vedere sopra, nella modalità di conduzione discontinua, c'è una risposta transitoria potenzialmente indesiderata nella corrente dell'induttore che può propagarsi alla tensione di uscita.
4. La risposta transitoria nella corrente dell'induttore può essere sottosmorzata con un certo ronzio durante la commutazione PWM, portando a emissioni EMI ad alte correnti.

Nel punto 1 sopra, ho ignorato qualsiasi effetto non lineare nel commutatore MOSFET, ma questi punti sono validi indipendentemente. Se stai progettando un convertitore di potenza per operare a una specifica frequenza e ciclo di lavoro PWM, e non c'è rilevamento del feedback o aggiustamento PWM, allora probabilmente non ti preoccupi della modalità di conduzione continua. Finché ottieni la potenza che desideri e l'EMI non è troppo terribile, allora non preoccupartene. I sistemi reali che richiedono un controllo preciso sull'uscita del regolatore e bassa EMI dovrebbero optare per progetti in modalità di conduzione continua poiché c'è solo una leva necessaria per compensare i cambiamenti nella tensione di uscita.

Progettare per la Modalità di Conduzione Continua

Se il carico nel sistema è troppo basso, il tuo SMPS entrerà nella modalità di conduzione discontinua. Il processo per progettare in modalità di conduzione continua segue un processo specifico: selezionare la tensione di uscita desiderata, calcolare l'induttanza della bobina e i valori del condensatore di uscita, e selezionare i parametri del driver PWM. Questi compiti possono essere eseguiti per un valore di resistenza di carico target.

Cosa Accade in Modalità Discontinua

Quando operi in modalità di conduzione discontinua, la tensione di uscita dipenderà dal valore dell'induttore, dalla frequenza PWM e dal ciclo di lavoro. Per topologie semplici con una singola fonte PWM e MOSFET, la tensione di uscita è data dalle seguenti equazioni:

Le equazioni sopra sono ben note. Non faccio spesso riferimento a Wikipedia, ma i loro articoli sui convertitori buck e boost contengono le derivazioni di queste equazioni. Segui i loro passaggi se vuoi derivare espressioni per topologie di convertitori più complesse e determinare la tensione di uscita, la corrente dell'induttore e il confine tra conduzione discontinua e continua.

Scegli l'Induttore Giusto per la Modalità di Conduzione Continua

Ci sono un paio di altri punti da notare sia dalle equazioni sopra sia dalla funzione di base di un induttore in un convertitore DC-DC:

• L'induttore dovrebbe generalmente essere grande per smorzare la corrente di ripple. Si scopre che esiste anche un valore minimo dell'induttore che garantirà il funzionamento in modalità di conduzione continua. Da quanto sopra, vediamo che il corretto in modalità discontinua scompare quando L tende all'infinito.
• Il condensatore di uscita dovrebbe essere anch'esso grande, sia per sopprimere il ripple sia per garantire una scarica lenta quando l'induttore sta rilasciando energia. Esiste un valore minimo di capacità di uscita per una data corrente di ripple e carico che garantirà che le operazioni di progettazione avvengano in modalità di conduzione continua.

Sebbene le equazioni per la capacità minima e l'induttanza si trovino in molte note applicative per progetti buck/boost di base, le topologie più complesse possono essere difficili da analizzare, e le simulazioni SPICE possono essere utilizzate per determinare la minima resistenza di carico che garantirà il funzionamento del tuo convertitore in modalità di conduzione continua.

Cosa valutare nel tuo progetto

Ovviamente, la corrente dell'induttore dovrebbe essere valutata in una simulazione SPICE quando si verifica il funzionamento in modalità di conduzione continua. La strategia di progettazione per garantire che la corrente dell'induttore non scenda a zero durante la commutazione è iterare attraverso valori per altri elementi del circuito, ovvero i valori della capacità di uscita e della resistenza di carico. Eseguire diverse valutazioni di carico e valori del condensatore per trovare una regione in cui la corrente dell'induttore rimane positiva per i tuoi parametri PWM scelti.

Gli effetti non lineari nel MOSFET influenzeranno anche il tempo di salita/discesa della corrente dell'induttore, quindi la tensione di pilotaggio PWM e l'intervallo dei valori di ingresso potrebbero essere anche candidati alla progettazione per evitare il funzionamento discontinuo. Assicurati di avere un modello di simulazione valido per i tuoi MOSFET e utilizza le variazioni DC per individuare l'intervallo lineare per il tuo convertitore quando selezioni i parametri PWM.

Indipendentemente dalla topologia del regolatore di commutazione che desideri utilizzare nel tuo progetto, assicurati di usare il miglior set di strumenti CAD e funzionalità di simulazione dei circuiti in Altium Designer. Quando hai terminato il tuo progetto e vuoi rilasciare i file al tuo produttore, la piattaforma Altium 365 rende facile collaborare e condividere i tuoi progetti. Abbiamo appena sfiorato la superficie di ciò che è possibile fare con Altium Designer su Altium 365. Puoi controllare la pagina del prodotto per una descrizione delle funzionalità più approfondita o uno dei Webinar On-Demand.