LTspice Lab : Dynamique de courant et de tension du convertisseur Buck

Dans l'article précédent, Comprendre la régulation en mode commutation : le convertisseur Buck, j'ai présenté et expliqué l'implémentation LTspice de l'étage de puissance d'un régulateur à découpage abaisseur illustré dans la figure 1.

Cet article étudiera l'activité électrique du circuit par rapport aux deux états de l'interrupteur : activé et désactivé.

Lorsque la forme d'onde de commande du commutateur (VSWITCH dans le schéma) est logique élevée, le commutateur est activé. Cela permet au courant de circuler librement de l'alimentation d'entrée vers la partie droite du circuit (Figure 2).

Comme vous le voyez sur la figure 2, le courant d'alimentation traverse le commutateur S1 et l'inductance L1 pour se diriger vers le condensateur C1 et la résistance de charge. Le courant traversant l'inducteur augmente et l'inducteur se « charge », c'est-à-dire que la quantité d'énergie stockée dans son champ magnétique augmente. Le courant inducteur est distribué au condensateur et à la charge.

Notez que le diagramme ne montre aucun courant circulant dans la diode. À l'état activé, la chute de tension aux bornes du commutateur est presque nulle et, par conséquent, la tension aux bornes de la diode est approximativement égale à VIN. Ainsi, la diode est polarisée en inverse et agit comme un circuit ouvert.

Examinons attentivement les informations contenues dans le tracé à volets multiples de la figure 3 lorsque le commutateur est activé. Nous discuterons de chaque sous-intrigue en commençant par le bas et en progressant vers le haut.

En commençant par le bas, nous savons que nous sommes à l'état passant car la tension (12 V) aux bornes de la diode, V(d1), est égale à la tension d'entrée.

Le courant de l'inductance, I(L1), augmente et l'inductance se charge. Notez que la valeur minimale de l'axe vertical dans ce tracé est de 80 mA et non de 0 mA. Bien que le commutateur bloque complètement le courant d'entrée à l'état désactivé, l'inductance garantit que des quantités importantes de courant continuent de circuler dans la partie droite du circuit.

Le courant circulant dans le condensateur I(C1) augmente également. Le condensateur commence à se charger (et sa tension augmente) lorsque I(C1) franchit 0 mA et devient positif.

Le courant de charge, I(Load), est stable à la valeur moyenne du courant d'inductance. Comment le courant de charge reste-t-il si stable lorsque le courant de l'inductance augmente et diminue avec une ondulation de 140 mA ? Les deux seules voies pour le courant d'inductance sont la résistance de charge et le condensateur C1, la réponse doit donc impliquer C1.

Si vous réfléchissez au tracé I(C1), vous verrez que le condensateur compense en permanence les écarts du courant d'inductance. Par exemple, lorsque I(L1) vaut 80 mA, I(C1) vaut –70 mA, où le signe négatif signifie que le condensateur fournit 70 mA. La charge reçoit 80 mA de l'inductance plus 70 mA du condensateur, ce qui donne un courant total de 150 mA.

Cependant, lorsque I(L1) vaut 220 mA, I(C1) vaut +70 mA, où le signe positif signifie que le condensateur absorbe 70 mA. Ainsi, la charge obtient 220 mA – 70 mA = 150 mA.

La tension de sortie, V(vout), qui est également la tension aux bornes du condensateur, présente une ondulation de faible amplitude autour de sa tension moyenne. Dans le tracé de la tension de sortie, j'ai agrandi l'axe des y pour mettre en évidence l'ondulation de tension.

Notez que la tension commence à augmenter lorsque le courant du condensateur dépasse 0 mA. Cela est logique : dans cette simulation, le courant positif du condensateur est le courant qui circule dans le condensateur et provoque donc une augmentation de sa tension.

Les 6 V environ à la sortie représentent environ la moitié des 12 V d'entrée. Le convertisseur abaisseur a en effet abaissé la tension, comme souhaité.

Lorsque l'interrupteur S1 est désactivé, le courant continue de circuler dans la partie droite du circuit, comme illustré sur la figure 4. Ce courant ne peut cependant pas provenir de l'alimentation d'entrée, ni de l'alimentation d'entrée. nulle part. Au lieu de cela, il circule, avec l'aide de la diode D1.

Lorsque l'interrupteur s'éteint, l'inductance L1 fonctionne comme une source au lieu d'une charge. L'inductance maintient le flux de courant malgré la perte de l'alimentation d'entrée, mais son courant diminue.