Schalter verstehen

Jan 22, 2024

Ich habe zuvor einen allgemeinen konzeptionellen Überblick über die getaktete Spannungsregelung gegeben. Im Anschluss an diese theoretische Behandlung möchte ich eine gründliche Untersuchung des Strom- und Spannungsverhaltens unter Verwendung von LTSpice zur Simulation eines Schaltmodus-Abwärtswandlers durchführen.

Die Schaltung, mit der wir arbeiten werden, ist im Schaltplan in Abbildung 1 dargestellt. Sie wird als Abwärts- oder Abwärtswandler bezeichnet.

Der Abwärts- oder Abwärtswandler kann verwendet werden, um eine häufige Aufgabe für Energieverwaltungsschaltungen zu erfüllen: die Reduzierung einer Standardspannung auf Systemebene, z. B. 12 oder 28 V, auf eine 5- oder 3,3-V-Versorgungsschiene, die für Niederspannungsanwendungen geeignet ist. Spannungselektronik.

Ich sage „Hilfe“, weil die Topologie in Abbildung 1 nur die Leistungsstufe eines Schaltreglers darstellt. Es handelt sich nicht um einen vollständigen Regler, da ihm die Rückkopplung fehlt und er sich daher nicht auf eine bestimmte Ausgangsspannung einstellen kann.

Bevor wir uns mit der Simulation und Analyse befassen, besprechen wir einige der weniger selbsterklärenden Aspekte dieses LTspice-Schemas:

Der Leistungsschalter in physikalischen Wandlerschaltungen ist normalerweise ein Feldeffekttransistor. In dieser simulierten Schaltung verwende ich einen spannungsgesteuerten Schalter, dessen Spezifikationen durch die .model MYSW SW(...)-Anweisung bestimmt werden. Die Schalteigenschaften sind sehr günstig, aber nicht ganz ideal:

VSWITCH erzeugt eine Rechteckwelle, die den Schalter ein- und ausschaltet. Mit der .param-Anweisung habe ich verschiedene Parameter definiert, mit denen ich die Tastenschalteigenschaften einfach steuern kann. Ich gebe die Oszillatorfrequenz und das Tastverhältnis an, das sind die Werte, die mein Gehirn benötigt, um intuitiv über das Schaltkreisverhalten nachzudenken. Diese werden zur Berechnung des Zeitraums und der Pünktlichkeit verwendet. Dies sind die Werte, die von der PULSE-Funktion von LTspice benötigt werden.

Der Ausgangskondensator ist ein wesentlicher Bestandteil des Wandlerbetriebs und daher sowohl in simulierten als auch in physikalischen Schaltkreisen erforderlich. Physikalische Schaltkreise benötigen außerdem einen Eingangskondensator, der den entscheidenden Zweck erfüllt, die Quellenimpedanz zu reduzieren und es dem Wandler dadurch zu ermöglichen, intensive Stromstöße gleichmäßiger aus der Eingangsversorgung zu ziehen. Da die Eingangsversorgung in meiner SPICE-Implementierung eine Serienimpedanz von Null hat, ist kein Eingangskondensator erforderlich.

Die in Abbildung 1 gezeigten Induktivitäts- (100 μH) und Kapazitätswerte (1 μF) sind sinnvolle Ausgangspunkte, die ich mithilfe der Gleichungen berechnet habe, die in dieser TI-App-Notiz zu finden sind. Wir werden die Auswirkungen der Kondensator- und Induktorwerte in einem zukünftigen Artikel untersuchen.

Beginnen wir mit der Durchführung einer Simulation mit einem Arbeitszyklus von 50 % und einem Lastwiderstand von 1 kΩ. Abbildung 2 ist eine Darstellung der Ausgangsspannung über der Zeit. Beachten Sie, dass die Ausgangsspannung einige Zeit benötigt, um ihren eingeschwungenen Wert zu erreichen.

Schaltwandler, einschließlich der kondensatorbasierten Schalter, die wir Ladungspumpen nennen, haben eine Startverzögerung, die der Zeit entspricht, die zum Laden des Ausgangskondensators benötigt wird. Dies geschieht in nahezu jedem Stromkreis, da es immer irgendwo eine Kapazität gibt, die aufgeladen werden muss.

Bei einem Umschalter kann die Startzeit jedoch erheblich länger sein, da der Ladestrom durch den Schaltvorgang begrenzt ist und die zu ladende Kapazität relativ groß ist.

Wie in Abbildung 2 dargestellt, beträgt die Ausgangsspannung im stationären Zustand bei einer Eingangsspannung von 12 V etwa 10,5 V. Das Tastverhältnis beträgt 50 %, warum ist die Ausgangsspannung also so viel höher als 50 % der Eingangsspannung?

Wenn Sie den vorherigen Artikel gelesen haben, haben Sie das Diagramm gesehen (hier in Abbildung 3 wiederholt), in dem die Größe einer gefilterten Spannung direkt dem Arbeitszyklus einer PWM-Wellenform entspricht.

Dieses Diagramm zeigt jedoch nur die Auswirkung der Filterung einer PWM-Wellenform. wohingegen bei einem Schaltwandler das PWM-Tastverhältnis nur einer der verschiedenen Faktoren ist, die das VIN-zu-VOUT-Verhältnis beeinflussen. Ich kann den Arbeitszyklus bei 50 % belassen und die Ausgangsspannung erheblich ändern, indem ich den Wert der Induktivität, die Höhe des Lastwiderstands oder die Schaltfrequenz ändere.

Diese Diskussion dient als gute Erinnerung daran, dass das Tastverhältnis kein Mittel zur Erzeugung einer bestimmten, festen Ausgangsspannung ist. Vielmehr erreichen Schaltregler eine stabile Ausgangsspannung, indem sie das Tastverhältnis im Rahmen eines geschlossenen Regelkreises anpassen, der durch negative Rückkopplung ermöglicht wird.

Daher können wir das Tastverhältnis nicht einfach auf 50 % einstellen und davon ausgehen, dass wir VOUT = 6 V mit VIN = 12 V haben. Auf jeden Fall wollen wir keinen Regler um eine konstante Eingangsspannung herum bauen. Wir würden viel lieber einen Regler entwerfen, der gegenüber unerwarteten Eingangsschwankungen robust ist und sich leicht in neue Anwendungen integrieren lässt, die möglicherweise unterschiedliche Eingangsspannungen haben.

Bevor ich diesen Abschnitt abschließe, möchte ich kurz erwähnen, dass PWM nicht die einzige Möglichkeit ist, eine Schaltmodusregelung durchzuführen. Obwohl die Pulsfrequenzmodulation (PFM) weniger verbreitet ist, wird sie in einigen Anwendungen bevorzugt, da sie bei geringer Last eine höhere Effizienz bietet.

Wir schließen mit dem Diagramm von Abbildung 4 ab, das den Induktorstrom im Verhältnis zur Schaltersteuerspannung und zum Ausgangsstrom zeigt.

Das Diagramm der Schaltersteuerspannung vermittelt den Zustand des Schalters: Er ist geöffnet, wenn das Schaltersteuersignal logisch niedrig ist, und geschlossen, wenn das Signal logisch hoch ist. Gemäß dem Grundprinzip der Schaltmodusregelung wird der Schalter immer vollständig ein- oder vollständig ausgeschaltet, was bedeutet, dass er den Strom entweder frei durchlässt oder den Strom vollständig blockiert.

Unverändert kann diese Art von Ein-/Aus-Strom elektronische Schaltkreise nicht richtig versorgen, aber die Darstellung des Induktorstroms zeigt den im vorherigen Artikel beschriebenen Anstiegs-/Abfalleffekt. Der Strom durch eine Induktivität kann sich nicht sofort ändern, und die Topologie des Abwärtswandlers ermöglicht es der Induktivität, Ein-/Aus-Strom in Hoch-/Runterstrom umzuwandeln. Wie durch die gepunkteten Cursorlinien angedeutet, beginnt der Induktorstrom anzusteigen, wenn der Schalter eingeschaltet wird, und beginnt abzufallen, wenn der Schalter ausgeschaltet wird.

Der Induktorstrom allein hätte für Stromversorgungszwecke eine zu große Welligkeit. Die Induktivität arbeitet jedoch mit dem Ausgangskondensator zusammen, der ausreichend Filterung bietet, um den im Diagramm gezeigten gleichmäßigen Laststrom mit geringer Welligkeit zu ermöglichen. Beachten Sie, dass der Laststrom der Durchschnittswert des Induktorstroms ist.

Der Abwärtswandler wird üblicherweise in Energiemanagementsystemen verwendet, um die niedrigeren Gleichspannungen zu erzeugen, die in der modernen Elektronik verwendet werden. Wir haben einige Schlüsselaspekte des Betriebs von getakteten Gleichspannungswandlern mit LTspice untersucht.

Das Verständnis der grundlegenden Funktionsweise dieses vereinfachten Schaltplans wird Ihnen hoffentlich bei Ihrem Schaltungsentwurf helfen. Im nächsten Artikel analysieren wir das Strom- und Spannungsverhalten im Einschaltzustand und im Ausschaltzustand sorgfältig.