Tryb ciągłej przewodności w przetwornicy SMPS: Czym jest i dlaczego ma znaczenie

Zasilacze impulsowe wydają się być dość proste w projektowaniu i analizie: wydaje się, że podłączasz zasilanie sieciowe i otrzymujesz stabilne napięcie stałe, prawda? Myślę, że byłoby świetnie, gdyby projektowanie zasilaczy było takie proste, ale tak naprawdę nie jest. Rzeczy takie jak topologia, dobór komponentów, decyzje dotyczące układu, izolacja i uziemienie wszystkie wpływają na szumy, stabilność i transjenty w odpowiedzi wyjściowej zasilacza. Jednym z czynników, który nie zawsze jest brany pod uwagę w zasilaczach impulsowych, jest tryb przewodzenia, czyli sposób, w jaki sekcja magazynowania energii i komponenty uwalniają energię, aby dostarczyć moc do zacisków wyjściowych.

Tryb ciągłego przewodzenia jest często domyślnie pożądany podczas projektowania zasilaczy, ale istnieje również tryb nieciągłego przewodzenia, który można uzyskać w zasilaczach impulsowych. Podsumowując, co to oznacza, energia zgromadzona w cewce w zasilaczu spadnie do zera w trybie nieciągłego przewodzenia, i nigdy nie spada do zera w trybie ciągłego przewodzenia. Jeśli chodzi o dostarczanie mocy i to, co byś zmierzył, prąd w cewce przekroczy 0 A z powodu przełączania w trybie nieciągłym, podczas gdy w trybie ciągłym nie przekroczy 0 A.

Dlaczego jest to ważne i który tryb powinniśmy starać się osiągnąć w zasilaczu? Preferowalibyśmy tryb ciągły, ale ważne jest, aby zrozumieć, dlaczego możemy znaleźć się w trybie nieciągłym i jakie kompromisy są z tym związane. Spójrzmy na kilka powodów, dla których warto dążyć do ciągłego trybu przewodzenia w projektowaniu regulatora i jak można stwierdzić, czy osiągnięto tryb nieciągły.

Dlaczego ciągły tryb przewodzenia jest ważny

Jak wspomniano powyżej, ciągły tryb przewodzenia w zasilaczu jest osiągany, gdy prąd w cewce ładowania/rozładowywania nigdy nie spada do lub nie przekracza 0 A. Jeśli spojrzysz na przebieg prądu cewki w przetwornicy impulsowej, możesz dość łatwo stwierdzić, czy system pracuje w trybie ciągłym czy nieciągłym. Dopóki prąd w cewce zawsze kieruje się w tę samą stronę co prąd wejściowy, oznacza to, że pracujesz w ciągłym trybie przewodzenia.

Poniższy wykres pokazuje przykład tego, co może się zdarzyć w trybie nieciągłym. Tutaj zasymulowałem prostą topologię buck z cyklem pracy 50% przy 100 kHz i małą cewką (tylko 500 nH) podłączoną do bardzo małego obciążenia (10 Ohm). Widzimy, że prąd cewki krótko spada do -40 mA, gdy przełącznik jest włączony, z powodu niedociągnięcia w przebiegu przejściowym. Gdy przełącznik jest wyłączony, widzimy, że obwód w stanie OFF jest niedotłumionym oscylatorem RLC, gdzie prąd cewki oscyluje wokół 0 A przed następnym cyklem PWM. Zauważ, że szczyt w odpowiedzi przejściowej osiąga około -200 mA podczas tej oscylacji z znacznym dzwonieniem, co czyni to raczej niepożądanym prądem cewki.

W świetle powyższego wykresu, to uczciwe pytanie, dlaczego obchodzi nas tryb ciągłej przewodności? Istnieje kilka powodów:

1. W trybie nieciągłej przewodności, napięcie wyjściowe zależy od cyklu pracy, wielkości cewki, częstotliwości PWM i wartości napięcia wejściowego. W trybie ciągłej przewodności, napięcie wyjściowe zależy tylko od cyklu pracy PWM.
2. To oznacza, że proste dostosowanie cyklu pracy w celu kompensacji zmian napięcia wejściowego nie jest już użyteczną strategią kontroli w trybie nieciągłym.
3. Jak widzimy powyżej, w trybie nieciągłej przewodności występuje potencjalnie niepożądana odpowiedź przejściowa w prądzie cewki, która może propagować się do napięcia wyjściowego.
4. Odpowiedź przejściowa w prądzie cewki może być niedotłumiona z pewnym dzwonieniem podczas przełączania PWM, prowadząc do emisji EMI przy wysokich prądach.

W punkcie 1 powyżej zignorowałem wszelkie nieliniowe efekty w przełączającym MOSFET, ale te punkty są ważne niezależnie od tego. Jeśli projektujesz przetwornicę mocy do pracy przy jednej określonej częstotliwości i wypełnieniu PWM, i nie ma żadnego czujnika sprzężenia zwrotnego ani regulacji PWM, to prawdopodobnie nie martwisz się o tryb ciągłej przewodności. Dopóki otrzymujesz pożądaną moc i EMI nie jest zbyt straszne, to nie martw się tym. Rzeczywiste systemy wymagające precyzyjnej kontroli nad wyjściem regulatora i niskiego EMI powinny optować za projektami w trybie ciągłej przewodności, ponieważ potrzebny jest tylko jeden mechanizm do kompensacji zmian napięcia wyjściowego.

Projektowanie dla trybu ciągłej przewodności

Jeśli obciążenie w systemie jest zbyt niskie, twój SMPS wejdzie w tryb pracy nieciągłej przewodności. Proces projektowania w trybie ciągłej przewodności obejmuje określony proces: wybierz pożądane napięcie wyjściowe, oblicz indukcyjność cewki i wartości kondensatora wyjściowego, a następnie wybierz parametry sterownika PWM. Te zadania można wykonać dla docelowej wartości oporności obciążenia.

Co dzieje się w trybie nieciągłym

Kiedy pracujesz w trybie nieciągłej przewodności, napięcie wyjściowe będzie zależało od wartości induktora, częstotliwości PWM i współczynnika wypełnienia. Dla prostych topologii z pojedynczym źródłem PWM i MOSFET, napięcie wyjściowe jest dane przez następujące równania:

Powyższe równania są dobrze znane. Nie często odwołuję się do Wikipedii, ale ich artykuły o przetwornicach obniżających i podwyższających zawierają wyprowadzenia tych równań. Śledź ich kroki, jeśli chcesz wyprowadzić wyrażenia dla bardziej złożonych topologii przetworników i określić napięcie wyjściowe, prąd induktora oraz granicę między nieciągłą a ciągłą przewodnością.

Wybierz odpowiedni induktor dla trybu ciągłej przewodności

Istnieje kilka innych punktów, które warto zauważyć zarówno z powyższych równań, jak i z podstawowej funkcji induktora w przetworniku DC-DC:

• Cewka powinna być ogólnie duża, aby tłumić prąd tętnień. Okazuje się jednak, że istnieje również minimalna wartość cewki, która zapewni działanie w trybie ciągłego przewodzenia. Z powyższego wynika, że poprawne działanie w trybie nieciągłym znika, gdy L → nieskończoność.
• Kondensator wyjściowy powinien być również duży, zarówno aby tłumić tętnienia, jak i zapewnić wolne rozładowanie, gdy cewka uwalnia energię. Istnieje minimalna wartość pojemności wyjściowej dla danego prądu tętnień i obciążenia, która zapewni działanie projektu w trybie ciągłego przewodzenia.

Chociaż równania dla minimalnej pojemności i indukcyjności można znaleźć w wielu notatkach aplikacyjnych dla podstawowych projektów przetwornic typu buck/boost, analiza bardziej złożonych topologii może być trudna, a symulacje SPICE mogą być używane do określenia minimalnej rezystancji obciążenia, która zapewni, że Twój przetwornik będzie działał w trybie ciągłego przewodzenia.

Co ocenić w swoim projekcie

Oczywiście, prąd cewki powinien być oceniany w symulacji SPICE podczas sprawdzania działania w trybie ciągłego przewodzenia. Strategia projektowa, aby zapewnić, że prąd cewki nie spadnie do zera podczas przełączania, polega na iteracji przez wartości dla innych elementów obwodu, mianowicie wartości pojemności wyjściowej i rezystancji obciążenia. Przeanalizuj różne wartości obciążenia i kondensatora, aby znaleźć obszar, w którym prąd cewki pozostaje dodatni dla wybranych parametrów PWM.

Efekty nieliniowe w tranzystorze MOSFET również wpłyną na czas narastania/opadania prądu cewki, więc napięcie sterujące PWM oraz zakres wartości wejściowych mogą być również kandydatami do projektowania w celu uniknięcia pracy nieciągłej. Upewnij się, że masz ważny model symulacyjny dla swoich tranzystorów MOSFET i wykorzystaj pomiary DC do zlokalizowania liniowego zakresu dla twojego przetwornika podczas wybierania parametrów PWM.

Niezależnie od tego, jaką topologię regulatora przełączającego chcesz użyć w swoim projekcie, upewnij się, że używasz najlepszego zestawu narzędzi CAD i funkcji symulacji obwodów w Altium Designer®. Kiedy zakończysz projektowanie i będziesz chciał przekazać pliki swojemu producentowi, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów. Przedstawiliśmy tylko niewielką część możliwości, jakie daje Altium Designer na Altium 365. Możesz sprawdzić stronę produktu po bardziej szczegółowy opis funkcji lub jeden z Webinarów na Żądanie.