Comprendere il passaggio

In precedenza ho fornito una panoramica concettuale di alto livello della regolazione della tensione in modalità switch. Mi piacerebbe far seguire la trattazione teorica con un esame approfondito del comportamento di corrente e tensione utilizzando LTSpice per simulare un convertitore buck in modalità switch.

Il circuito con cui lavoreremo è illustrato nello schema della Figura 1. Questo è noto come convertitore buck o step-down.

Il convertitore buck o step-down può essere utilizzato per svolgere un compito comune per i circuiti di gestione dell'alimentazione: ridurre una tensione standard a livello di sistema, come 12 o 28 V, a una linea di alimentazione da 5 o 3,3 V adatta per elettronica di tensione.

Dico "aiuto" perché la topologia della Figura 1 è solo lo stadio di potenza di un regolatore a commutazione. Non è un regolatore completo perché è privo di feedback e pertanto non può bloccarsi su una tensione di uscita specifica.

Prima di immergerci nella simulazione e nell'analisi, discutiamo alcuni degli aspetti meno autoesplicativi di questo schema LTspice:

L'interruttore di alimentazione nei circuiti convertitori fisici è solitamente un transistor ad effetto di campo. In questo circuito simulato utilizzo un interruttore controllato in tensione le cui specifiche sono determinate dall'istruzione .model MYSW SW(...). Le caratteristiche di commutazione sono molto favorevoli ma non del tutto ideali:

VSWITCH produce un'onda rettangolare che accende e spegne l'interruttore. Utilizzando l'istruzione .param, ho definito vari parametri che mi consentono di controllare facilmente le caratteristiche di commutazione dei tasti. Specifico la frequenza dell'oscillatore e il ciclo di lavoro, che sono i valori richiesti dal mio cervello per pensare in modo intuitivo al comportamento del circuito. Questi vengono utilizzati per calcolare il periodo e il tempo, che sono i valori richiesti dalla funzione PULSE di LTspice.

Il condensatore di uscita è parte integrante del funzionamento del convertitore ed è quindi necessario sia nei circuiti simulati che in quelli fisici. I circuiti fisici necessitano anche di un condensatore di ingresso, che ha lo scopo fondamentale di ridurre l'impedenza della sorgente e quindi consentire al convertitore di assorbire più agevolmente intensi picchi di corrente dall'alimentazione di ingresso. Poiché l'alimentazione di ingresso nella mia implementazione SPICE ha un'impedenza in serie pari a zero, non è necessario alcun condensatore di ingresso.

I valori di induttanza (100 μH) e capacità (1 μF) mostrati nella Figura 1 sono punti di partenza ragionevoli che ho calcolato utilizzando le equazioni presenti in questa nota dell'app TI. Esploreremo gli effetti dei valori del condensatore e dell'induttore in un prossimo articolo.

Iniziamo eseguendo una simulazione con un ciclo di lavoro del 50% e una resistenza di carico di 1 kΩ. La Figura 2 è un grafico della tensione di uscita nel tempo. Si noti che la tensione di uscita necessita di un po' di tempo per raggiungere il suo valore di stato stazionario.

I convertitori in modalità commutazione, inclusi gli switcher basati su condensatori che chiamiamo pompe di carica, hanno un ritardo di avvio corrispondente alla quantità di tempo necessaria per caricare il condensatore di uscita. Ciò si verifica praticamente in qualsiasi circuito, poiché da qualche parte c'è sempre della capacità che deve essere caricata.

Con uno switcher, tuttavia, il tempo di avvio può essere notevolmente più lungo perché la corrente di carica è limitata dall'azione di commutazione e perché la quantità di capacità da caricare è relativamente grande.

Come illustrato nella Figura 2, con una tensione di ingresso di 12 V, la tensione di uscita a stato stazionario è di circa 10,5 V. Il ciclo di lavoro è del 50%, quindi perché la tensione di uscita è molto superiore al 50% della tensione di ingresso?

Se avete letto l'articolo precedente, avete visto il diagramma (ripetuto qui in Figura 3) in cui l'ampiezza di una tensione filtrata corrisponde direttamente al duty cycle di una forma d'onda PWM.

Tuttavia, questo diagramma illustra solo l'effetto del filtraggio di una forma d'onda PWM. mentre in un convertitore a commutazione, il ciclo di lavoro PWM è solo uno dei vari fattori che influenzano il rapporto VIN-VOUT. Posso lasciare il ciclo di lavoro al 50% e modificare in modo significativo la tensione di uscita modificando il valore dell'induttore, la quantità di resistenza di carico o la frequenza di commutazione.