LTspice Lab: Dinamica di corrente e tensione del convertitore buck

Nell'articolo precedente, Comprendere la regolazione della modalità di commutazione: il convertitore buck, ho introdotto e spiegato l'implementazione LTspice dello stadio di potenza di un regolatore di commutazione step-down illustrato nella Figura 1.

Questo articolo esaminerà l'attività elettrica del circuito rispetto ai due stati dell'interruttore: acceso e spento.

Quando la forma d'onda di controllo dell'interruttore (VSWITCH nello schema) è logica alta, l'interruttore è acceso. Ciò consente alla corrente di fluire liberamente dall'alimentazione in ingresso alla parte destra del circuito (Figura 2).

Come si vede nella Figura 2, la corrente di alimentazione scorre attraverso l'interruttore, S1, e l'induttore, L1, nel suo percorso verso il condensatore, C1, e il resistore di carico. La corrente attraverso l'induttore aumenta e l'induttore si “carica”, ovvero la quantità di energia immagazzinata nel suo campo magnetico aumenta. La corrente dell'induttore è distribuita al condensatore e al carico.

Si noti che il diagramma non mostra alcuna corrente che scorre nel diodo. Durante lo stato On, la caduta di tensione attraverso l'interruttore è quasi zero e, di conseguenza, la tensione attraverso il diodo è approssimativamente uguale a VIN. Pertanto, il diodo è polarizzato inversamente e si comporta come un circuito aperto.

Consideriamo attentamente le informazioni contenute nel grafico a più riquadri della Figura 3 quando l'interruttore è acceso. Discuteremo ogni sottotrama iniziando dal basso e procedendo verso l'alto.

Partendo dal basso, sappiamo di essere nello stato acceso perché la tensione (12 V) ai capi del diodo, V(d1), è uguale alla tensione di ingresso.

La corrente dell'induttore, I(L1), sta aumentando e l'induttore si sta caricando. Si noti che il valore minimo dell'asse verticale in questo grafico è 80 mA, non 0 mA. Sebbene l'interruttore blocchi completamente la corrente in ingresso nello stato spento, l'induttore garantisce che quantità significative di corrente continuino a fluire nella parte destra del circuito.

Anche la corrente che scorre nel condensatore I(C1) aumenta. Il condensatore inizia a caricarsi (e la sua tensione aumenta) quando I(C1) supera 0 mA e diventa positivo.

La corrente di carico, I(Load), è stabile al valore medio della corrente dell'induttore. Come fa la corrente di carico a rimanere così stabile quando la corrente dell'induttore aumenta e diminuisce con 140 mA di ondulazione? Gli unici due percorsi per la corrente dell'induttore sono la resistenza di carico e il condensatore C1, quindi la risposta deve coinvolgere C1.

Se rifletti sul grafico I(C1), vedrai che il condensatore compensa continuamente le deviazioni della corrente dell'induttore. Ad esempio, quando I(L1) è 80 mA, I(C1) è –70 mA, dove il segno negativo significa che il condensatore fornisce 70 mA. Il carico riceve 80 mA dall'induttore più 70 mA dal condensatore, per una corrente totale di 150 mA.

Tuttavia, quando I(L1) è 220 mA, I(C1) è +70 mA, dove il segno positivo significa che il condensatore assorbe 70 mA. Pertanto il carico ottiene 220 mA – 70 mA = 150 mA.

La tensione di uscita, V(vout), che è anche la tensione ai capi del condensatore, presenta un'ondulazione di bassa ampiezza attorno alla sua tensione media. Nel grafico della tensione di uscita, ho ingrandito l'asse y per evidenziare l'ondulazione della tensione.

Si noti che la tensione inizia ad aumentare quando la corrente del condensatore supera 0 mA. Ciò ha senso: in questa simulazione, la corrente positiva del condensatore è la corrente che fluisce nel condensatore e, pertanto, provoca un aumento della sua tensione.

I circa 6 V in uscita sono circa la metà dei 12 V in ingresso. Il convertitore buck ha effettivamente abbassato la tensione, come desiderato.

Quando l'interruttore S1 è spento, la corrente continua a fluire nella parte destra del circuito, come illustrato nella Figura 4. Tuttavia, questa corrente non può provenire dall'alimentazione in ingresso e non può nemmeno provenire da luogo inesistente. Circola invece, con l'aiuto del diodo, D1.

Quando l'interruttore si spegne, l'induttore, L1, funziona come una sorgente anziché come un carico. L'induttore mantiene il flusso di corrente nonostante la perdita dell'alimentazione in ingresso, ma la sua corrente diminuisce.