Непрерывный режим проводимости в источнике питания с импульсной модуляцией: что это такое и почему это важно

Кажется, что проектирование и анализ импульсных источников питания достаточно просты: кажется, что подключаешь их к сети, и на выходе получаешь стабильное постоянное напряжение, верно? Я был бы рад, если бы проектирование источников питания было таким простым, но на самом деле это не так. Такие факторы, как топология, выбор компонентов, решения по размещению, изоляция и заземление, все они влияют на шум, стабильность и переходные процессы в выходной характеристике источника питания. Один из факторов, который не всегда учитывается в импульсных источниках питания, - это режим проводимости, или как секция хранения энергии и компоненты высвобождают энергию для передачи мощности к выходным клеммам.

Часто по умолчанию при проектировании источников питания предпочитают непрерывный режим проводимости, но также существует и прерывистый режим проводимости, который можно использовать в импульсных источниках питания. Говоря кратко, это означает, что энергия, накопленная в катушке источника питания, упадет до нуля в прерывистом режиме проводимости, и никогда не упадет до нуля в непрерывном режиме проводимости. Что касается передачи мощности и того, что вы бы измерили, ток в катушке будет пересекать 0 А из-за коммутации в прерывистом режиме, в то время как в непрерывном режиме он не будет пересекать 0 А.

Почему это важно и к какому режиму мы должны стремиться в блоке питания? Мы бы предпочли непрерывный режим, но важно понимать, почему мы можем оказаться в прерывистом режиме и какие компромиссы при этом возникают. Давайте рассмотрим некоторые причины, по которым стоит стремиться к непрерывному режиму проводимости в вашем дизайне регулятора и как вы можете определить, достигли ли вы прерывистого режима.

Почему непрерывный режим проводимости важен

Как было упомянуто выше, непрерывный режим проводимости в блоке питания достигается, когда ток в катушке зарядки/разрядки никогда не падает до 0 А или не пересекает эту отметку. Если посмотреть на форму волны тока индуктора в коммутируемом преобразователе, можно довольно легко определить, работает ли система в непрерывном или прерывистом режиме. До тех пор, пока ток в индукторе всегда направлен в ту же сторону, что и входной ток, вы работаете в непрерывном режиме проводимости.

На графике ниже показан пример того, что может произойти в режиме разрывной проводимости. Здесь я симулировал простую схему понижающего преобразователя с коэффициентом заполнения 50% на частоте 100 кГц и маленьким индуктором (всего 500 нГн), подключенным к очень маленькой нагрузке (10 Ом). Здесь мы видим, что ток через индуктор кратковременно падает до -40 мА, когда ключ включен из-за провала в переходной характеристике. Когда ключ выключен, мы видим, что цепь в выключенном состоянии является недоамортизированным RLC-осциллятором, где ток через индуктор колеблется вокруг 0 А до следующего цикла ШИМ. Обратите внимание, что пик в переходной характеристике достигает примерно -200 мА во время этого колебания с значительным звоном, что делает это довольно нежелательным током через индуктор.

В свете приведенного выше графика, вполне уместно спросить: почему мы заботимся о режиме непрерывной проводимости? Есть несколько причин:

1. В режиме разрывной проводимости выходное напряжение зависит от коэффициента заполнения, размера индуктора, частоты ШИМ и значения входного напряжения. В режиме непрерывной проводимости выходное напряжение зависит только от коэффициента заполнения ШИМ.
2. Это означает, что простая корректировка коэффициента заполнения для компенсации изменений входного напряжения больше не является полезной стратегией управления в режиме разрывной проводимости.
3. Как мы видим выше, в режиме разрывной проводимости возможен нежелательный переходной процесс в токе индуктора, который может распространяться на выходное напряжение.
4. Переходной процесс в токе индуктора может быть недостаточно затухающим с некоторым колебанием во время коммутации ШИМ, что приводит к излучению ЭМИ при высоких токах.

В пункте 1 выше я игнорировал любые нелинейные эффекты в коммутирующем MOSFET, но эти моменты остаются актуальными в любом случае. Если вы разрабатываете преобразователь мощности для работы на одной конкретной частоте и коэффициенте заполнения ШИМ, и нет обратной связи или регулировки ШИМ, то, вероятно, вам не о чем беспокоиться в отношении режима непрерывной проводимости. До тех пор, пока вы получаете нужную мощность и ЭМИ не слишком ужасен, тогда не беспокойтесь об этом. Реальные системы, требующие точного контроля над выходным напряжением регулятора и низкого уровня ЭМИ, должны выбирать конструкции с непрерывной проводимостью, так как для компенсации изменений в выходном напряжении требуется только один рычаг.

Проектирование для режима непрерывной проводимости

Если нагрузка в системе слишком низкая, ваш импульсный источник питания (SMPS) перейдет в режим разрывной проводимости. Процесс проектирования для режима непрерывной проводимости следует определенной последовательности: выбрать желаемое выходное напряжение, рассчитать индуктивность катушки и значения выходного конденсатора, а также выбрать параметры драйвера ШИМ. Эти задачи можно выполнить для целевого значения сопротивления нагрузки.

Что происходит в разрывном режиме

Когда вы работаете в режиме разрывной проводимости, выходное напряжение будет зависеть от значения индуктора, частоты ШИМ и коэффициента заполнения. Для простых топологий с одним источником ШИМ и MOSFET выходное напряжение определяется следующими уравнениями:

Вышеупомянутые уравнения хорошо известны. Я нечасто обращаюсь к Википедии, но их статьи о понижающих и повышающих преобразователях содержат выводы этих уравнений. Следуйте их шагам, если хотите вывести выражения для более сложных топологий преобразователей и определить выходное напряжение, ток индуктора и границу между разрывной и непрерывной проводимостью.

Выберите подходящий индуктор для режима непрерывной проводимости

Есть еще пара моментов, на которые стоит обратить внимание, как из вышеупомянутых уравнений, так и из основной функции индуктора в DC-DC преобразователе:

• Индуктор, как правило, должен быть большим, чтобы снижать пульсации тока. Как оказывается, существует также минимальное значение индуктивности, которое обеспечивает режим непрерывной проводимости. Из вышесказанного мы видим, что корректность в дискретном режиме исчезает, когда L стремится к бесконечности.
• Выходной конденсатор также должен быть большим, как для подавления пульсаций, так и для обеспечения медленного разряда, когда индуктор высвобождает энергию. Существует минимальное значение емкости выходного конденсатора для данного тока пульсаций и нагрузки, которое обеспечит работу конструкции в режиме непрерывной проводимости.

Хотя уравнения для минимальной емкости и индуктивности можно найти во многих приложениях для базовых схем повышения/понижения напряжения, более сложные топологии могут быть сложными для анализа, и симуляции SPICE могут быть использованы для определения минимального сопротивления нагрузки, которое обеспечит работу вашего преобразователя в режиме непрерывной проводимости.

Что оценить в вашем дизайне

Очевидно, что ток через индуктор должен быть оценен в симуляции SPICE при проверке работы в режиме непрерывной проводимости. Стратегия проектирования для обеспечения того, чтобы ток через индуктор не падал до нуля во время переключения, заключается в итерации значений для других элементов схемы, а именно значений емкости на выходе и сопротивления нагрузки. Проходите через различные значения нагрузки и конденсатора, чтобы найти область, где ток через индуктор остается положительным для выбранных вами параметров ШИМ.

Нелинейные эффекты в MOSFET также повлияют на время нарастания/спада тока индуктора, поэтому напряжение управления PWM и диапазон входных значений также могут быть кандидатами для дизайна с целью избежания разрывной работы. Убедитесь, что у вас есть действительная модель симуляции для ваших MOSFET и используйте постоянные развертки для выявления линейного диапазона для вашего преобразователя при выборе параметров PWM.

Независимо от того, какую топологию коммутационного регулятора вы хотите использовать в своем дизайне, обязательно используйте лучший набор инструментов CAD и функций симуляции схем в Altium Designer®. Когда вы закончили свой дизайн и хотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365™ упрощает сотрудничество и обмен проектами. Мы только коснулись поверхности того, что возможно сделать с Altium Designer на Altium 365. Вы можете проверить страницу продукта для более глубокого описания функций или один из Вебинаров по запросу.