¿Por qué utilizamos la retroalimentación de lazo cerrado en convertidores buck?

Question

Mi profesor de electrónica de potencia pasado la mayor parte de su vida en el dominio del tiempo y en específico a la aplicación de la teoría (SMPS sólo de vocabulario).

Para mí, un convertidor buck es básicamente una onda cuadrada (generado por un interruptor) pasa a través de un filtro LC.

La onda cuadrada de la frecuencia fundamental y sus armónicos se filtran, y todo lo que queda es la componente de corriente continua. Entiendo que la retroalimentación de bucle cerrado es necesario si la V_en los cambios - porque usted necesita para aumentar o disminuir su ciclo de trabajo desde su plaza de la amplitud de la onda (ergo componente continua (DC) ha cambiado. Es que es?

También entiendo que la impedancia de la carga podría afectar a la esquina de la frecuencia del filtro. Es por eso que necesitamos de bucle cerrado de retroalimentación? Cómo es este asunto mitigado?

El resto de los componentes de la (supuestamente) DC de la señal hace que el bucle de control de eliminar? Ripple? (No se trata simplemente de una cuestión de calidad del filtro?)

Answer 1

La principal cosa que le falta es que lo que se pone en el filtro LC no es necesariamente siempre una onda cuadrada. Es cuando el convertidor buck es en modo continuo, pero a menos que sepa que siempre sea el caso, no puede asumir que la onda cuadrada de entrada al filtro como usted.

En el modo continuo, el voltaje de salida es lo ideal sería que el voltaje de entrada de los tiempos del ciclo de trabajo. Sin embargo, no es tan sencillo en el mundo real. Incluso si el voltaje de entrada se mantiene constante, no es la DC resistencia de la bobina a considerar, el voltaje a través del interruptor, y el voltaje a través del diodo de la tierra durante el pulso baja el tiempo.

El último puede ser mitigado por la rectificación sincrónica, pero que no es perfecto. Al menos, no es la caída de voltaje a través de lo que está siendo utilizado como el rectificador síncrono interruptor. Rectificación sincrónica momento también es generalmente conservadoras, es decir, yerra en el lado de alojarse en un poco demasiado corto, en lugar de demasiado tiempo. El costo de apagar un poco temprano es más la caída de tensión en el extremo de la flyback parte del pulso. Sin embargo, el costo de convertir en demasiado tarde es disparar a través, que rápidamente disminuye la eficiencia, y los riesgos de dañar las piezas.

He visto pre-regulación de fuentes de alimentación que se fija el ciclo de trabajo buck switchers. En un caso, se utiliza para colocar un 48 V de tensión de distribución hasta un áspero de 12 V, que fue distribuido a nivel local y cayó hasta el final voltajes regulados por otras fuentes de energía. No importaba si los 12 V variado un poco.

El propósito general de la fuente de alimentación tiene que ser diseñado para manejar a baja carga. A continuación algunas de carga para cualquier frecuencia de conmutación, puede emplear un conmutador no puede mantener de modo continuo. Algunos OEM suministros simplemente un estado mínimo de carga es necesaria.

Más de propósito general de los suministros de caer de nuevo a modo discontinuo. En este caso, su fijo onda cuadrada supuesto falla. Ahora hay realmente en 3 partes para el ciclo. En el inicio, la entrada al filtro LC está activamente impulsada por alto. Cuando se detiene, el flyback parte comienza, que las unidades de la entrada activamente baja. Luego está la tercera fase en modo discontinuo donde se considere la posibilidad de la entrada de la eficacia alta impedancia. La función de ciclo de trabajo para la tensión de salida es no lineal.

Answer 2

Un convertidor buck de hecho puede ser visualizado como una baja impedancia de onda cuadrada generador de alimentación de un filtro de paso bajo la combinación de un inductor \$L\$ y un condensador \$C\$. Sin embargo, como se puede imaginar, cuando el interruptor se cierra, \$V_{in}\$ no es el valor que se aplica a la izquierda del inductor de la terminal. La fuente de entrada se somete a una caída de tensión inherente al interruptor de encendido \$r_{DS(on)}\$ y el inductor pérdida óhmica \$r_L\$. Como resultado, el estado inductor de voltaje no es \$V_{in}-V_{out}\$ pero menos de que, como se muestra en el lado izquierdo de la imagen:

Durante el tiempo, en continuo de la conducción de modo (CCM), el de la izquierda de la terminal de la bobina no caiga a 0 V, pero para el diodo adelante gota que obliga a que el nodo de swing debajo de la tierra. Por lo tanto, al aplicar el volt-segundo balance de la ley para el inductor, te das cuenta de que el total de voltaje de salida fórmula que incluya estas pérdidas difiere de la simple en CCM, \$V_{out}=DV_{in}\$. Usted podría complicar aún más la expresión, incluyendo el diodo tiempo de recuperación y el interruptor de encendido y apagado de las pérdidas.

Prácticamente hablando, como usted ha dicho, de un MCP-operado del convertidor buck con 0 valores parásitos y operado en una constante tensión de entrada no se necesita un bucle para mantener su producción en el punto de funcionamiento. Sin embargo, como se puede ver, varios elementos parásitos afectan a la dc la función de transferencia y un lazo de control necesita para corregir la tensión de control de forzar la salida de voltaje para cumplir el objetivo. La resistencia de la carga afectará a la frecuencia de la esquina, pero de manera muy marginal en realidad, la participación de \$r_L\$\$r_C\$. El bucle está ahí para realmente hacer que el regulador (la consigna es fija) inmune a la perturbación externa como la tensión de entrada y la corriente de salida. Vea la ilustración de abajo:

Se puede ver el efecto del bucle de varios parámetros:

• la tensión de salida: obviamente, usted quiere una precisión regulada \$V_{out}\$ por lo que necesita ganar en su bucle (no hay ganancia, no hay sistema de control) a) reducir en la medida de lo posible el error estático b) garantizar una reacción rápida a un sistema de alimentación repentino de la demanda c) hacer que el sistema sea robusto a las perturbaciones externas.
• la impedancia de salida: como se puede ver, la impedancia de salida se ve obstaculizada por todos los valores parásitos como el \$r_{DS(on)}\$, el óhmicas etc. El pequeño de la señal de respuesta a un paso está dictada por la impedancia de salida. Lo que quiere esta impedancia a ser de suficiente valor bajo para asegurarse de que la salida de la gota cuando la corriente de carga cambia sigue siendo razonable. La ganancia del bucle trabajará para reducir la impedancia de salida de la función de sensibilidad de \$S=\frac{1}{1+T(s)}\$ en que \$T\$ es la ganancia de bucle.
• mismo para la otra perturbación, \$V_{in}\$. Cuando tienes \$V_{out}=DV_{in}\$ se puede ver que si se puede distinguir \$V_{out}(V_{in})\$ con respecto a \$V_{in}\$ usted obtener \$D\$. Lo que significa que cualquier cambio estático en el voltaje de entrada se propagan a la salida de \$D\$. No es muy bueno. De nuevo, la adición de un bucle mejorar este voltaje de entrada rechazo o audiosusceptibility por la función de sensibilidad.

Answer 3

Usted está asumiendo fuente de Alimentación conmutada (SMPS) utiliza Modulación de Ancho de Pulso (PWM) para pasar de un promedio de nivel de voltaje y el filtro LC quita la conmutación parte dejar que la tensión media. Sin embargo, no es cómo funcionan.

Un SMPS usa PWM para pasar la energía de una fuente a la tienda en un condensador, de manera que el nivel de voltaje en el condensador que es como se define por el circuito de retroalimentación.

Como los cambios de carga, y requiere más o menos energía, el SMPS los cambios de la velocidad en la que se transfiere la energía para mantener ese condensador en el destino de voltaje. Si la carga se va por completo el PWM en realidad puede detener.

Si su carga es fija y su fuente de la entrada también es fijo, a continuación, algunas de estado estacionario PWM operación que va a suceder, pero que en realidad es bastante raro. Si lo intenta sin comentarios, CUALQUIER diferencia en la carga o la fuente hará que el voltaje de salida a la deriva de una forma u otra a lo largo del tiempo ya que la transferencia de energía va a ser demasiado alta o demasiado baja.

Answer 4

Si uno diseñado un buck-conmutador de modo sincrónico con interruptores en lugar de los diodos, y si los interruptores puede transmitir el sentido de la corriente en ambas direcciones, a continuación, la oferta de transmitir la potencia desde el suministro de la tapa de la carga de la pac cuando su voltaje de salida es menor que la mitad de la tensión de entrada y de la carga de la pac para el suministro de la tapa cuando se es mayor, logrando así un poco descuidado (pero tal vez útil) la regulación. Si no recibe corriente de la carga de la tapa, a continuación, un sistema impulsado con el trabajo del 50% se estabiliza hacia un modo que:

1. Alimentación de corriente de la carga de la pac para el suministro de la tapa para el primer trimestre de cada ciclo, utilizando la energía almacenada en el inductor para conducir la corriente en contra de la diferencia de potencial.

2. Alimentación de corriente desde el suministro de la tapa de la carga de la pac durante el próximo trimestre, mientras que la carga de la bobina con la energía de la diferencia de potencial.

3. Continuar con el abastecimiento de corriente en la carga de la tapa (con la alimentación desconectada) durante el próximo trimestre, utilizando la energía almacenada en el inductor.

4. La corriente de la carga de la tapa (de nuevo con la alimentación desconectada) durante el último trimestre, el almacenamiento de esa energía en el inductor.

Si los conmutadores todo puede operar en ambas direcciones, el sistema sería estable en este patrón. Sin embargo, si uno o ambos interruptores sólo puede funcionar en una sola dirección, cualquier energía que se transfiere en el inductor de la fuente tendría que o bien se transfiere a la carga de la pac o ser disipada como calor en alguna parte. La cantidad de energía que el inductor recibe de la fuente en un "sobre" ciclo dependerá de cuánto fue corriente que fluye a través de él al principio, pero si la corriente inicial no puede ser negativa la energía recibida en un ciclo tendrá una no-trivial mínimo. Si no hay ningún lugar para que la energía para ir, el tiempo de "encendido" debe ser cortado.