Tại sao chúng ta sử dụng phản hồi vòng kín trong bộ chuyển đổi buck?

Giáo sư điện tử năng lượng của tôi đã dành phần lớn cuộc đời của mình trong lĩnh vực thời gian và trong lý thuyết dành riêng cho ứng dụng (từ vựng chỉ SMPS).

Đối với tôi, bộ chuyển đổi buck về cơ bản là một sóng vuông (được tạo bởi một công tắc) được truyền qua bộ lọc LC.

Tần số cơ bản của sóng vuông và sóng hài của nó được lọc ra và tất cả những gì còn lại là thành phần DC. Tôi hiểu rằng thông tin phản hồi vòng kín là cần thiết nếu V _trong thay đổi - vì bạn sẽ cần phải tăng hoặc giảm chu kỳ nhiệm vụ của mình kể từ khi biên độ sóng vuông của bạn (ergo thành phần DC) đã thay đổi. Là nó?

Tôi cũng hiểu rằng trở kháng tải có thể ảnh hưởng đến tần số góc của bộ lọc. Có phải đó là lý do tại sao chúng ta cần phản hồi vòng kín? Vấn đề này được giảm nhẹ như thế nào?

Những thành phần nào khác của tín hiệu DC (được cho là) ​​mà vòng điều khiển loại bỏ? Gợn sóng? (Đây không phải là vấn đề về chất lượng bộ lọc sao?)

Điều chính bạn đang thiếu là những gì được đưa vào bộ lọc LC không nhất thiết phải luôn là sóng vuông. Đó là khi bộ chuyển đổi buck ở chế độ liên tục , nhưng trừ khi bạn biết rằng luôn luôn như vậy, bạn không thể giả sử đầu vào sóng vuông vào bộ lọc như bạn đang có.

Trong chế độ liên tục, điện áp đầu ra lý tưởng là điện áp đầu vào nhân với chu kỳ nhiệm vụ. Tuy nhiên, nó không đơn giản trong thế giới thực. Ngay cả khi điện áp đầu vào không đổi, vẫn có điện trở DC của cuộn cảm để xem xét, điện áp trên công tắc và điện áp trên diode từ mặt đất trong thời gian xung thấp.

Cái sau có thể được giảm thiểu bằng cách cải chính đồng bộ, nhưng điều đó cũng không hoàn hảo. Ít nhất, có sự sụt giảm điện áp trên bất cứ thứ gì đang được sử dụng làm công tắc chỉnh lưu đồng bộ. Thời gian chỉnh lưu đồng bộ cũng thường được thực hiện bảo thủ, có nghĩa là nó lỗi ở phía quá ngắn một chút thay vì quá dài. Chi phí tắt sớm một chút là giảm điện áp nhiều hơn ở phần cuối của flyback của xung. Tuy nhiên, chi phí bật quá muộn là bắn qua, làm giảm nhanh hiệu quả và có nguy cơ làm hỏng các bộ phận.

Tôi đã thấy các nguồn cung cấp điện quy định trước đó là các bộ chuyển đổi buck chu kỳ nhiệm vụ cố định. Trong một trường hợp, nó được sử dụng để giảm điện áp phân phối 48 V xuống mức 12 V thô, được phân phối cục bộ và giảm đến điện áp quy định cuối cùng bởi các nguồn cung cấp điện khác. Không có vấn đề gì nếu 12 V thay đổi một chút.

Một nguồn cung cấp năng lượng chung phải được thiết kế để xử lý tải thấp quá. Dưới một số tải cho bất kỳ tần số chuyển đổi, bộ chuyển đổi buck không thể duy trì chế độ liên tục. Một số nguồn cung cấp OEM chỉ cần nêu một tải tối thiểu là bắt buộc.

Nhiều nguồn cung cấp mục đích chung rơi trở lại chế độ không liên tục. Trong trường hợp đó, giả định sóng vuông cố định của bạn không thành công. Bây giờ thực sự có 3 phần của chu kỳ. Khi bắt đầu, đầu vào cho bộ lọc LC được tích cực điều khiển cao. Khi dừng lại, phần flyback bắt đầu, điều này khiến đầu vào chủ động ở mức thấp. Sau đó, có giai đoạn thứ ba trong chế độ không liên tục, nơi bạn xem xét đầu vào có hiệu quả trở kháng cao. Chức năng của chu kỳ nhiệm vụ đến điện áp đầu ra không còn tuyến tính.

Bộ chuyển đổi buck thực sự có thể được hình dung như một máy phát sóng vuông có trở kháng thấp cung cấp bộ lọc thông thấp kết hợp một cuộn cảm $L$ và một tụ điện $C$. Tuy nhiên, như bạn có thể tưởng tượng, khi công tắc nguồn đóng lại,$V_{in}$không phải là giá trị được áp dụng cho thiết bị đầu cuối cuộn cảm bên trái. Nguồn đầu vào trải qua sự sụt giảm điện áp vốn có của công tắc nguồn$r_{DS(on)}$ và mất điện trở $r_L$. Kết quả là, điện áp trên trạng thái không phải là$V_{in}-V_{out}$ nhưng ít hơn thế như thể hiện trong hình bên trái:

Trong thời gian tắt, ở chế độ dẫn liên tục hoặc CCM, cực bên trái của cuộn cảm không giảm xuống 0 V mà rơi xuống phía trước diode làm cho nút phải lắc dưới mặt đất. Do đó, khi bạn áp dụng luật cân bằng volt-giây cho cuộn cảm, bạn nhận ra rằng công thức điện áp đầu ra đầy đủ bao gồm các tổn thất này khác với công thức đơn giản trong CCM,$V_{out}=DV_{in}$. Bạn có thể làm phức tạp thêm biểu thức bằng cách bao gồm thời gian phục hồi diode và công tắc bật tắt và tắt.

Thực tế, như bạn đã nói, một bộ chuyển đổi buck hoạt động CCM với 0 ký sinh và hoạt động ở điện áp đầu vào không đổi sẽ không cần một vòng lặp để duy trì điểm vận hành đầu ra của nó. Tuy nhiên, như bạn có thể thấy, một số phần tử ký sinh ảnh hưởng đến chức năng truyền tải dc và một vòng điều khiển cần phải điều chỉnh điện áp điều khiển buộc điện áp đầu ra phải đáp ứng mục tiêu. Điện trở tải sẽ ảnh hưởng đến tần số góc nhưng thực tế rất ít, liên quan đến$r_L$ và $r_C$. Vòng lặp ở đó để thực sự làm cho bộ điều chỉnh (điểm đặt được cố định) miễn nhiễm với nhiễu loạn bên ngoài như điện áp đầu vào và dòng điện đầu ra. Xem hình dưới đây:

Bạn thấy tác dụng của vòng lặp trên một số tham số:

• điện áp đầu ra: rõ ràng bạn muốn có một quy định chính xác $V_{out}$ do đó, bạn cần đạt được trong vòng lặp của mình (không tăng, không có hệ thống điều khiển) để a) giảm tối đa lỗi tĩnh b) đảm bảo hệ thống phản ứng nhanh với nhu cầu năng lượng đột ngột c) làm cho hệ thống trở nên mạnh mẽ đối với các nhiễu loạn bên ngoài.
• trở kháng đầu ra: như bạn có thể thấy, trở kháng đầu ra bị cản trở bởi tất cả các ký sinh trùng như $r_{DS(on)}$, tổn thất ohmic v.v ... Đáp ứng tín hiệu nhỏ cho một bước được quyết định bởi trở kháng đầu ra. Do đó, bạn muốn trở kháng này có giá trị đủ thấp để đảm bảo đầu ra giảm khi thay đổi dòng tải vẫn hợp lý. Độ lợi của vòng lặp sẽ hoạt động để giảm trở kháng đầu ra bằng chức năng độ nhạy$S=\frac{1}{1+T(s)}$ trong đó $T$ là mức tăng vòng lặp.
• tương tự cho các nhiễu loạn khác, $V_{in}$. Khi bạn có$V_{out}=DV_{in}$ bạn có thể thấy rằng nếu bạn phân biệt $V_{out}(V_{in})$ đối với $V_{in}$ Bạn được thông qua $D$. Điều đó có nghĩa là bất kỳ thay đổi tĩnh nào trong điện áp đầu vào sẽ được truyền đến đầu ra bởi$D$. Không tốt lắm. Một lần nữa, việc bổ sung vòng lặp sẽ cải thiện khả năng loại bỏ điện áp đầu vào hoặc khả năng nghe thấy bằng chức năng độ nhạy.

Bạn đang giả sử Nguồn cung cấp chế độ chuyển đổi (SMPS) sử dụng Điều chế độ rộng xung (PWM) để vượt qua mức điện áp trung bình và bộ lọc LC loại bỏ phần chuyển đổi để rời khỏi điện áp trung bình đó. Tuy nhiên đó không phải là cách họ làm việc.

SMPS sử dụng PWM để truyền năng lượng từ nguồn để lưu trữ vào tụ điện sao cho mức điện áp trên tụ đó được xác định bởi mạch phản hồi.

Khi tải thay đổi và đòi hỏi năng lượng nhiều hơn hoặc ít hơn, SMPS thay đổi tốc độ truyền năng lượng đó để giữ tụ điện đó ở điện áp mục tiêu. Nếu tải đi hoàn toàn, PWM thực sự có thể dừng lại.

Nếu tải của bạn là cố định và nguồn cung cấp đầu vào của bạn cũng được cố định, thì một số hoạt động PWM trạng thái ổn định sẽ xảy ra, nhưng điều đó thực sự khá hiếm. Nếu bạn thử mà không có phản hồi, BẤT K Dif sự khác biệt về tải hoặc nguồn sẽ khiến điện áp đầu ra bị trôi theo cách này hay cách khác theo thời gian vì việc truyền năng lượng sẽ quá cao hoặc quá thấp.

Câu trả lời trên là thực sự tuyệt vời. Cảm ơn.

Trong số các hiệu ứng không lý tưởng từ chuyển đổi và điốt và DCM, tôi nghĩ một trong những lý do là phản ứng nhất thời. Để có phản ứng nhất thời nhanh, bạn phải có tần số chéo cao giúp phản hồi nhanh. Nhưng bộ lọc LC thực sự đã cắt 0dB trong vài kHz. Thông thường bạn muốn tần số vượt qua của bạn càng cao càng tốt nhưng không thể vượt quá một nửa tần số chuyển đổi như vấn đề tỷ lệ Nyquist. Vì vậy, bạn cần thông tin phản hồi cung cấp cho bạn một số lợi ích để bạn có thể thực hiện tần số chéo là khoảng trăm kHz.

Nếu người ta thiết kế một bộ chuyển đổi chế độ buck với các công tắc đồng bộ thay vì điốt và nếu các công tắc có thể truyền dòng điện theo cả hai hướng, thì nguồn cung cấp sẽ truyền năng lượng từ nắp cung cấp đến nắp tải khi điện áp đầu ra nhỏ hơn một nửa điện áp, và từ nắp tải đến nắp cung khi nó lớn hơn, do đó đạt được quy định hơi cẩu thả (nhưng có lẽ hữu ích). Nếu không có gì rút dòng từ nắp tải, thì một hệ thống được điều khiển với mức thuế 50% sẽ ổn định theo chế độ:

1. Cấp dòng điện từ nắp tải đến nắp cung cấp cho quý đầu tiên của mỗi chu kỳ, sử dụng năng lượng được lưu trữ trong cuộn cảm để điều khiển dòng điện chống lại sự khác biệt tiềm năng.

2. Cấp dòng điện từ nắp cung cấp đến nắp tải trong quý tiếp theo, trong khi sạc điện dẫn bằng năng lượng từ chênh lệch tiềm năng.

3. Tiếp tục tìm nguồn điện vào nắp tải (với nguồn cung cấp bị ngắt) trong quý tiếp theo, sử dụng năng lượng dự trữ trong cuộn cảm.

4. Rút dòng điện từ nắp tải (một lần nữa với nguồn cung cấp bị ngắt) trong quý cuối cùng, lưu trữ năng lượng đó trong cuộn cảm.

Nếu tất cả các công tắc có thể hoạt động theo cả hai hướng, hệ thống sẽ ổn định theo mẫu này. Tuy nhiên, nếu một hoặc cả hai công tắc chỉ có thể hoạt động theo một hướng, bất kỳ năng lượng nào được truyền vào cuộn cảm từ nguồn sẽ phải được chuyển đến nắp tải hoặc bị tiêu tan dưới dạng nhiệt ở đâu đó. Lượng năng lượng mà cuộn cảm nhận được từ nguồn trong chu kỳ "bật" sẽ phụ thuộc vào lượng dòng điện chạy qua nó ban đầu, nhưng nếu dòng điện ban đầu không thể âm thì năng lượng nhận được trong một chu kỳ sẽ không tầm thường tối thiểu Nếu không có nơi nào để năng lượng đó đi, thời gian "bật" phải được cắt giảm.