Chế độ Dẫn liên tục trong SMPS: Đó là gì và Tại sao nó lại Quan trọng

Nguồn cấp điện chế độ chuyển mạch dường như khá đơn giản để thiết kế và phân tích: có vẻ như bạn chỉ cần cắm vào nguồn điện tường, và bạn sẽ nhận được một điện áp DC ổn định, phải không? Tôi nghĩ sẽ tuyệt vời nếu việc thiết kế nguồn cấp điện đơn giản như vậy, nhưng thực tế không phải vậy. Những yếu tố như cấu trúc, lựa chọn linh kiện, quyết định bố trí, cách ly và nối đất đều ảnh hưởng đến tiếng ồn, sự ổn định và các biến động trong phản ứng đầu ra của nguồn cấp. Một yếu tố không phải lúc nào cũng được xem xét trong nguồn cấp điện chuyển mạch là chế độ dẫn, hay cách mà phần lưu trữ năng lượng và các linh kiện giải phóng năng lượng để cung cấp điện cho các cực đầu ra.

Chế độ dẫn liên tục thường được mong muốn mặc định khi thiết kế nguồn cấp điện, nhưng cũng có một chế độ dẫn không liên tục có thể được truy cập trong nguồn cấp điện chuyển mạch. Để tóm tắt điều này có nghĩa là gì, năng lượng được lưu trữ trong một cuộn dây trong nguồn cấp điện sẽ giảm xuống 0 trong chế độ dẫn không liên tục, và nó không bao giờ giảm xuống 0 trong chế độ dẫn liên tục. Về việc cung cấp điện và những gì bạn sẽ đo được, dòng điện trong cuộn dây sẽ vượt qua 0 A do chuyển đổi trong chế độ không liên tục, trong khi nó sẽ không vượt qua 0 A trong chế độ liên tục.

Tại sao điều này lại quan trọng, và chúng ta nên cố gắng đạt được chế độ nào trong nguồn cung cấp điện? Chúng ta ưu tiên chế độ dẫn liên tục, nhưng quan trọng là phải hiểu tại sao chúng ta có thể kết thúc ở chế độ dẫn không liên tục và những sự đánh đổi nào liên quan. Hãy xem xét một số lý do để hướng tới chế độ dẫn liên tục trong thiết kế bộ điều chỉnh của bạn và làm thế nào bạn có thể biết nếu bạn đã đạt được chế độ dẫn không liên tục.

Tại sao Chế Độ Dẫn Liên Tục lại Quan Trọng

Như đã được đề cập ở trên, chế độ dẫn liên tục trong nguồn cung cấp điện được đạt được khi dòng điện trong cuộn sạc/xả không bao giờ giảm xuống hoặc vượt qua 0 A. Nếu bạn nhìn vào dạng sóng của dòng điện cuộn cảm trong một bộ chuyển đổi chuyển mạch, bạn có thể dễ dàng xác định liệu hệ thống đang hoạt động trong chế độ dẫn liên tục hay không liên tục. Miễn là dòng điện trong cuộn cảm luôn chỉ theo cùng một hướng với dòng điện đầu vào, thì bạn đang hoạt động trong chế độ dẫn liên tục.

Biểu đồ dưới đây cho thấy một ví dụ về những gì có thể xảy ra trong chế độ không liên tục. Tại đây, tôi đã mô phỏng một cấu trúc buck đơn giản với chu kỳ làm việc 50% tại 100 kHz và một cuộn cảm nhỏ (chỉ 500 nH) được kết nối với một tải rất nhỏ (10 Ohm). Tại đây, chúng ta thấy rằng dòng điện qua cuộn cảm tạm thời giảm xuống -40 mA trong khi công tắc đang bật do sự sụt giảm trong dạng sóng chuyển tiếp. Khi công tắc tắt, chúng ta thấy rằng mạch ở trạng thái tắt là một dao động RLC kém giảm xóc, nơi dòng điện qua cuộn cảm dao động xung quanh 0 A trước khi chu kỳ PWM tiếp theo bắt đầu. Lưu ý rằng đỉnh của phản ứng chuyển tiếp đạt khoảng -200 mA trong quá trình dao động này với sự rung đáng kể, làm cho đây là một dòng điện qua cuộn cảm khá không mong muốn.

Xét đến biểu đồ trên, đây là một câu hỏi hợp lý để đặt ra: tại sao chúng ta quan tâm đến chế độ dẫn liên tục? Có một số lý do:

1. Trong chế độ dẫn không liên tục, điện áp đầu ra phụ thuộc vào chu kỳ làm việc, kích thước cuộn cảm, tần số PWM và giá trị điện áp đầu vào. Trong chế độ dẫn liên tục, điện áp đầu ra chỉ phụ thuộc vào chu kỳ làm việc của PWM.
2. Điều này có nghĩa là chỉ điều chỉnh chu kỳ làm việc để bù đắp cho sự thay đổi của điện áp đầu vào không còn là một chiến lược kiểm soát hữu ích khi ở trong chế độ không liên tục.
3. Như chúng ta thấy ở trên, trong chế độ dẫn không liên tục, có một phản ứng chuyển tiếp không mong muốn tiềm ẩn trong dòng điện cuộn cảm có thể lan truyền đến điện áp đầu ra.
4. Phản ứng chuyển tiếp trong dòng điện cuộn cảm có thể không được giảm xóc với một số hiện tượng rung trong quá trình chuyển mạch PWM, dẫn đến phát thải EMI ở dòng điện cao.

Ở điểm 1 ở trên, tôi đã bỏ qua bất kỳ hiệu ứng phi tuyến nào trong việc chuyển mạch MOSFET, nhưng những điểm này vẫn đúng bất kể. Nếu bạn đang thiết kế một bộ chuyển đổi nguồn để hoạt động ở một tần số PWM cụ thể và chu kỳ làm việc, và không có cảm biến phản hồi hoặc điều chỉnh PWM, thì có lẽ bạn không lo lắng về chế độ dẫn liên tục. Miễn là bạn nhận được công suất bạn muốn và EMI không quá tồi tệ, thì không cần lo lắng về nó. Các hệ thống thực tế yêu cầu kiểm soát chính xác đầu ra của bộ điều chỉnh và EMI thấp nên chọn thiết kế chế độ dẫn liên tục vì chỉ cần một cần gạt để bù đắp cho sự thay đổi trong điện áp đầu ra.

Thiết kế cho Chế Độ Dẫn Liên Tục

Nếu tải trong hệ thống quá thấp, bộ chuyển đổi SMPS của bạn sẽ chuyển sang chế độ dẫn không liên tục. Quy trình thiết kế cho chế độ dẫn liên tục tuân theo một quy trình cụ thể: chọn điện áp đầu ra mong muốn, tính toán độ tự cảm của cuộn dây và giá trị tụ điện đầu ra, và chọn các tham số trình điều khiển PWM. Những nhiệm vụ này có thể được thực hiện cho một giá trị điện trở tải mục tiêu.

Điều gì Xảy ra trong Chế độ Không Liên Tục

Khi bạn hoạt động trong chế độ dẫn không liên tục, điện áp đầu ra sẽ phụ thuộc vào giá trị cuộn cảm, tần số PWM và chu kỳ làm việc. Đối với các cấu trúc đơn giản với một nguồn PWM và MOSFET duy nhất, điện áp đầu ra được xác định bởi các phương trình sau:

Các phương trình trên là phổ biến. Tôi không thường xuyên tham khảo Wikipedia, nhưng các bài viết của họ về bộ chuyển đổi buck và boost chứa đựng các phương trình suy luận này. Theo dõi các bước của họ nếu bạn muốn suy ra các biểu thức cho các cấu trúc chuyển đổi phức tạp hơn và xác định điện áp đầu ra, dòng điện cuộn cảm, và ranh giới giữa chế độ dẫn không liên tục và liên tục.

Chọn Cuộn Cảm Đúng cho Chế độ Dẫn Liên Tục

Có một vài điểm khác cần lưu ý cả từ các phương trình trên và từ chức năng cơ bản của một cuộn cảm trong bộ chuyển đổi DC-DC:

• Cuộn cảm nên có kích thước lớn để giảm dòng điện dao động. Hóa ra, cũng có một giá trị cuộn cảm tối thiểu đảm bảo hoạt động ở chế độ dẫn liên tục. Từ những điều trên, chúng ta thấy rằng giá trị đúng trong chế độ không liên tục biến mất khi L → vô cùng.
• Tụ điện đầu ra cũng nên lớn, cả để giảm dao động và để đảm bảo việc xả chậm khi cuộn cảm giải phóng năng lượng. Có một giá trị dung lượng tụ điện đầu ra tối thiểu cho một dòng dao động và tải nhất định sẽ đảm bảo thiết kế hoạt động trong chế độ dẫn liên tục.

Trong khi các phương trình cho dung lượng tối thiểu và độ tự cảm được tìm thấy trong nhiều ghi chú ứng dụng cho các thiết kế buck/boost cơ bản, các cấu trúc phức tạp hơn có thể khó phân tích, và các mô phỏng SPICE có thể được sử dụng để xác định điện trở tải tối thiểu đảm bảo bộ chuyển đổi của bạn hoạt động trong chế độ dẫn liên tục.

Điều gì cần Đánh giá trong Thiết kế của Bạn

Rõ ràng, dòng điện cuộn cảm nên được đánh giá trong một mô phỏng SPICE khi kiểm tra hoạt động ở chế độ dẫn liên tục. Chiến lược thiết kế để đảm bảo dòng điện cuộn cảm không giảm xuống không trong quá trình chuyển mạch là lặp qua các giá trị cho các thành phần mạch khác, cụ thể là giá trị dung lượng tụ điện đầu ra và giá trị điện trở tải. Chạy qua các giá trị tải và tụ điện khác nhau để tìm một khu vực mà dòng điện cuộn cảm vẫn dương với các tham số PWM đã chọn của bạn.

Các hiệu ứng phi tuyến trong MOSFET cũng sẽ ảnh hưởng đến thời gian tăng/giảm của dòng điện trong cuộn cảm, do đó điện áp điều khiển PWM và phạm vi các giá trị đầu vào cũng có thể là các ứng cử viên thiết kế để tránh hoạt động không liên tục. Hãy chắc chắn rằng bạn có một mô hình mô phỏng hợp lệ cho các MOSFET của mình và sử dụng quét DC để xác định phạm vi tuyến tính cho bộ chuyển đổi của bạn khi chọn các tham số PWM.

Dù bạn muốn sử dụng topologi bộ điều chỉnh chuyển mạch nào trong thiết kế của mình, hãy chắc chắn sử dụng bộ công cụ CAD và các tính năng mô phỏng mạch tốt nhất trong Altium Designer®. Khi bạn đã hoàn thành thiết kế và muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất của mình, nền tảng Altium 365™ giúp bạn dễ dàng hợp tác và chia sẻ các dự án của mình. Chúng tôi chỉ mới khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bạn có thể kiểm tra trang sản phẩm để biết mô tả tính năng sâu hơn hoặc một trong những Hội thảo Trực tuyến Theo Yêu cầu.