Comprendre le commutateur

J'ai précédemment fourni un aperçu conceptuel de haut niveau de la régulation de tension à découpage. J'aimerais suivre ce traitement théorique avec un examen approfondi du comportement du courant et de la tension à l'aide de LTSpice pour simuler un convertisseur abaisseur à découpage.

Le circuit avec lequel nous allons travailler est illustré dans le schéma de la figure 1. C'est ce qu'on appelle un convertisseur abaisseur ou abaisseur.

Le convertisseur abaisseur ou abaisseur peut être utilisé pour accomplir une tâche courante pour les circuits de gestion de l'alimentation : réduire une tension standard au niveau du système, telle que 12 ou 28 V, à un rail d'alimentation de 5 ou 3,3 V approprié pour les basses tensions. électronique de tension.

Je dis « aide » car la topologie de la figure 1 n'est que l'étage de puissance d'un régulateur à découpage. Ce n'est pas un régulateur complet car il manque de rétroaction et ne peut donc pas se verrouiller sur une tension de sortie spécifiée.

Avant de plonger dans la simulation et l'analyse, discutons de quelques-uns des aspects les moins explicites de ce schéma LTspice :

L'interrupteur d'alimentation dans les circuits de conversion physique est généralement un transistor à effet de champ. Dans ce circuit simulé, j'utilise un interrupteur commandé en tension dont les spécifications sont déterminées par l'instruction .model MYSW SW(...). Les caractéristiques de commutation sont très favorables mais pas tout à fait idéales :

VSWITCH produit une onde rectangulaire qui allume et éteint l'interrupteur. À l'aide de l'instruction .param, j'ai défini divers paramètres qui me permettent de contrôler facilement les caractéristiques de commutation des touches. Je précise la fréquence et le rapport cyclique de l'oscillateur, qui sont les valeurs requises par mon cerveau pour réfléchir intuitivement au comportement du circuit. Celles-ci sont utilisées pour calculer la période et le temps, qui sont les valeurs requises par la fonction PULSE de LTspice.

Le condensateur de sortie fait partie intégrante du fonctionnement du convertisseur et est donc nécessaire dans les circuits simulés et physiques. Les circuits physiques ont également besoin d'un condensateur d'entrée, qui sert l'objectif essentiel de réduire l'impédance de la source et permettant ainsi au convertisseur de tirer plus facilement des rafales de courant intenses de l'alimentation d'entrée. Étant donné que l'alimentation d'entrée dans mon implémentation SPICE a une impédance série nulle, aucun condensateur d'entrée n'est nécessaire.

Les valeurs d'inductance (100 μH) et de capacité (1 μF) indiquées dans la figure 1 sont des points de départ raisonnables que j'ai calculés à l'aide des équations trouvées dans cette note d'application TI. Nous explorerons les effets des valeurs des condensateurs et des inductances dans un prochain article.

Commençons par exécuter une simulation avec un rapport cyclique de 50 % et une résistance de charge de 1 kΩ. La figure 2 est un tracé de la tension de sortie en fonction du temps. Notez que la tension de sortie a besoin d'un certain temps pour atteindre sa valeur stable.

Les convertisseurs à découpage, y compris les commutateurs basés sur des condensateurs que nous appelons pompes de charge, ont un délai de démarrage correspondant au temps nécessaire pour charger le condensateur de sortie. Cela se produit dans presque tous les circuits, car il y a toujours une capacité quelque part qui doit être chargée.

Cependant, avec un commutateur, le temps de démarrage peut être considérablement plus long car le courant de charge est limité par l'action de commutation et parce que la quantité de capacité à charger est relativement importante.

Comme l'illustre la figure 2, avec une tension d'entrée de 12 V, la tension de sortie en régime permanent est d'environ 10,5 V. Le rapport cyclique est de 50 %, alors pourquoi la tension de sortie est-elle tellement supérieure à 50 % de la tension d'entrée ?

Si vous avez lu l'article précédent, vous avez vu le diagramme (répété ici sur la figure 3) dans lequel l'amplitude d'une tension filtrée correspond directement au rapport cyclique d'une forme d'onde PWM.

Cependant, ce diagramme illustre uniquement l'effet du filtrage d'une forme d'onde PWM. alors que dans un convertisseur à découpage, le cycle de service PWM n'est que l'un des différents facteurs qui influencent le rapport VIN/VOUT. Je peux laisser le rapport cyclique à 50 % et modifier considérablement la tension de sortie en modifiant la valeur de l'inductance, la quantité de résistance de charge ou la fréquence de commutation.