Modo de Condução Contínua em uma SMPS: O que é e Por que é Importante

Fontes de alimentação comutadas parecem simples o suficiente para projetar e analisar: parece que você conecta a energia da rede e obtém uma tensão DC estável, certo? Eu acharia ótimo se o projeto de fontes de alimentação fosse tão simples, mas não é bem assim. Coisas como topologia, seleção de componentes, decisões de layout, isolamento e aterramento influenciam todos no ruído, estabilidade e transientes na resposta de saída da fonte. Um fator que nem sempre é considerado nas fontes de alimentação comutadas é o modo de condução, ou como a seção de armazenamento de energia e os componentes liberam energia para entregar potência aos terminais de saída.

O modo de condução contínua é frequentemente desejado por padrão ao projetar fontes de alimentação, mas também existe um modo de condução descontínua que pode ser acessado em fontes de alimentação comutadas. Para resumir o que isso significa, a energia armazenada em uma bobina em uma fonte de alimentação cairá para zero no modo de condução descontínua, e nunca cai para zero no modo de condução contínua. Quanto à entrega de potência e o que você mediria, a corrente na bobina cruzará 0 A devido à comutação no modo descontínuo, enquanto não cruzará 0 A no modo contínuo.

Por que isso é importante e qual modo devemos tentar alcançar em uma fonte de alimentação? Preferimos o modo contínuo, mas é importante entender por que podemos acabar no modo descontínuo e quais são os compromissos envolvidos. Vamos olhar algumas razões para buscar o modo de condução contínua no design do seu regulador e como você pode saber se alcançou o modo descontínuo.

Por que o Modo de Condução Contínua é Importante

Como foi mencionado acima, o modo de condução contínua em uma fonte de alimentação é alcançado quando a corrente na bobina de carga/descarga nunca cai para ou cruza 0 A. Se você observar a forma de onda da corrente do indutor em um conversor chaveado, pode facilmente ver se o sistema está operando no modo contínuo ou descontínuo. Enquanto a corrente no indutor estiver sempre apontando na mesma direção que a corrente de entrada, então você está operando no modo de condução contínua.

O gráfico abaixo mostra um exemplo do que pode acontecer no modo descontínuo. Aqui, simulei uma topologia simples de buck com ciclo de trabalho de 50% a 100 kHz e um pequeno indutor (apenas 500 nH) conectado a uma carga muito pequena (10 Ohm). Aqui, vemos que a corrente do indutor brevemente cai para -40 mA enquanto o interruptor está ligado devido ao undershoot na forma de onda transitória. Quando o interruptor está desligado, vemos que o circuito em estado desligado é um oscilador RLC subamortecido, onde a corrente do indutor oscila em torno de 0 A antes do próximo ciclo PWM. Note que o pico na resposta transitória atinge aproximadamente -200 mA durante esta oscilação com um ringing significativo, tornando esta uma corrente de indutor bastante indesejada.

À luz do gráfico acima, é uma pergunta justa perguntar: por que nos importamos com o modo de condução contínua? Existem várias razões:

1. No modo de condução descontínua, a tensão de saída depende do ciclo de trabalho, do tamanho do indutor, da frequência PWM e do valor da tensão de entrada. No modo de condução contínua, a tensão de saída depende apenas do ciclo de trabalho PWM.
2. Isso significa que simplesmente ajustar o ciclo de trabalho para compensar mudanças na tensão de entrada não é mais uma estratégia de controle útil quando no modo descontínuo.
3. Como vemos acima, no modo de condução descontínua, há uma resposta transitória potencialmente indesejada na corrente do indutor que pode se propagar para a tensão de saída.
4. A resposta transitória na corrente do indutor pode ser subamortecida com algum ressoar durante a comutação PWM, levando à emissão de EMI em altas correntes.

No ponto 1 acima, ignorei quaisquer efeitos não lineares na comutação do MOSFET, mas esses pontos são válidos independentemente. Se você está projetando um conversor de potência para operar em uma frequência e ciclo de trabalho PWM específicos, e não há detecção de feedback ou ajuste de PWM, então provavelmente não está preocupado com o modo de condução contínua. Contanto que você obtenha a potência que deseja e a EMI não seja terrível, então não se preocupe com isso. Sistemas reais que requerem controle preciso sobre a saída do regulador e baixa EMI devem optar por projetos no modo de condução contínua, pois há apenas uma alavanca necessária para compensar as mudanças na tensão de saída.

Projetando para o Modo de Condução Contínua

Se a carga no sistema for muito baixa, sua SMPS entrará no modo de condução descontínua. O processo para projetar para o modo de condução contínua segue um processo específico: selecione a tensão de saída desejada, calcule a indutância da bobina e os valores do capacitor de saída, e selecione os parâmetros do driver PWM. Essas tarefas podem ser realizadas para um valor de resistência de carga alvo.

O Que Acontece no Modo Descontínuo

Quando você está operando no modo de condução descontínua, a tensão de saída dependerá do valor do indutor, da frequência PWM e do ciclo de trabalho. Para topologias simples com uma única fonte PWM e MOSFET, a tensão de saída é dada pelas seguintes equações:

As equações acima são bem conhecidas. Eu não costumo referenciar a Wikipedia, mas seus artigos sobre conversores buck e boost contêm as derivações dessas equações. Siga seus passos se você quiser derivar expressões para topologias de conversores mais complexas e determinar a tensão de saída, a corrente do indutor e a fronteira entre a condução descontínua e contínua.

Escolha o Indutor Certo para o Modo de Condução Contínua

Há alguns outros pontos a serem observados, tanto das equações acima quanto da função básica de um indutor em um conversor DC-DC:

• O indutor deve ser geralmente grande para amortecer a corrente de ondulação. Como se verifica, também existe um valor mínimo de indutância que garantirá a operação em modo de condução contínua. A partir do exposto, vemos que o correto em modo descontínuo desaparece à medida que L → infinito.
• O capacitor de saída também deve ser grande, tanto para suprimir a ondulação quanto para garantir uma descarga lenta quando o indutor está liberando energia. Existe um valor mínimo de capacitância de saída para uma dada corrente de ondulação e carga que garantirá que o projeto opere no modo de condução contínua.

Embora as equações para a capacitância mínima e indutância sejam encontradas em muitas notas de aplicação para projetos básicos de buck/boost, topologias mais complexas podem ser difíceis de analisar, e simulações SPICE podem ser usadas para determinar a resistência de carga mínima que garantirá que seu conversor opere no modo de condução contínua.

O que Avaliar no Seu Projeto

Obviamente, a corrente do indutor deve ser avaliada em uma simulação SPICE ao verificar a operação em modo de condução contínua. A estratégia de design para garantir que a corrente do indutor não caia a zero durante a comutação é iterar através de valores para outros elementos do circuito, nomeadamente os valores de capacitância de saída e resistência de carga. Passe por diferentes valores de carga e capacitor para encontrar uma região onde a corrente do indutor permaneça positiva para os seus parâmetros PWM escolhidos.

Os efeitos não lineares no MOSFET também influenciarão o tempo de subida/queda da corrente do indutor, então a tensão de acionamento PWM e a gama de valores de entrada também podem ser candidatos a design para evitar operação descontínua. Certifique-se de ter um modelo de simulação válido para seus MOSFETs e utilize varreduras DC para identificar a faixa linear para seu conversor ao selecionar os parâmetros PWM.

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