Schaltfrequenz und Übergangsfrequenz des Controllers in DC-DC-Wandlern

Was bedeutet „Close the Loop“ in der Elektrik?

Dies ist ein Konzept der Steuerungstheorie und bedeutet einfach, dass Sie eine physikalische Größe messen, die Sie auf einem bestimmten Wert halten möchten, und diese Messung dann verwenden, um eine Art Steuerung zu optimieren, damit diese Größe näher an den gewünschten Wert herankommt.

Lassen Sie uns etwas weniger abstrakt sein ... Denken Sie an einen Thermostat in einer Hausklimaanlage. Dies ist ein geschlossener Regelkreis, da der Thermostat die Raumtemperatur misst und, wenn der Raum heißer als gewünscht ist, die Klimaanlage einschaltet, sodass die Temperatur sinkt und sich dem gewünschten Wert nähert. Sobald die Temperatur niedrig genug ist, schaltet sich die Klimaanlage aus, um zu verhindern, dass der Raum zu kalt wird. Wenn Sie einfach die Klimaanlage mit dem Lüfter in einer bestimmten Geschwindigkeit einschalten und unabhängig von der tatsächlichen Raumtemperatur die ganze Zeit eingeschaltet lassen, haben Sie einen offenen Kreislauf.

Nun zurück zu Ihrem DC-DC-Wandler ... Closed Loop bedeutet, dass Sie die Ausgangsspannung messen und das Tastverhältnis des Umschalters erhöhen oder verringern, wenn die Ausgangsspannung zu niedrig oder zu hoch ist, um den Ausgang zu halten Spannung auf den gewünschten Wert.

"dort ist es unmöglich, den Kreis dort zu schließen"

Mein Verständnis ist, dass "dort" "bei Frequenzen nahe der Schaltfrequenz" bedeutet.

Die Idee ist, dass Sie in einem geschalteten Stromkreis nur einmal pro Zyklus die Möglichkeit haben, "Dinge zu reparieren". Wenn Sie möchten, dass die Ausgangsspannung steigt, erhöhen Sie das Tastverhältnis (ich denke an einen Buck-Konverter) für diesen bestimmten Zeitraum. Wenn Sie möchten, dass die Ausgangsspannung sinkt, verringern Sie das Tastverhältnis für diesen bestimmten Zeitraum. Das bedeutet, dass die Schaltfrequenz eine Begrenzung dafür auferlegt, wie schnell Sie die Ausgangsspannung ändern können – Sie können nie schneller als die Schaltperiode reagieren. Deshalb schlägt der Text vor, 1/5 oder 1/10 der Schaltfrequenz als Obergrenze dafür zu verwenden, wie schnell Sie Ihren Regelkreis reaktionsschnell auslegen sollten, um die Ausgangsspannung konstant zu halten.

Die Auswahl der Übergangsfrequenz ist etwas komplexer, als einfach „1/5 oder 1/10 der Schaltfrequenz“ für den 0-dB-Übergangspunkt der Schleife zu sagen. Bei einem im Spannungsmodus betriebenen Tiefsetzsteller liegt eine Resonanz bei vor$f_0=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$und das System muss an diesem Punkt Verstärkung haben, um Schwingungen zu bekämpfen. Einfach gesagt, kein Gewinn, kein Feedback. Jenseits der Frequenzweiche, wenn die Verstärkung kleiner als 1 ist, läuft der Wandler im offenen Wechselstromkreis. Treten Schwingungen auf$f_0$während eines Ladeschritts, dann muss das System genug Verstärkung haben, um sie zurückzuweisen. Daher ist eine gute Empfehlung zu haben$f_c>3f_0$und kleiner sein als$\frac{F_{sw}}{2}$.

Bei der Strommodussteuerung ist die Resonanz verschwunden und die theoretische Obergrenze erreicht$\frac{F_{sw}}{2}$vorausgesetzt, die subharmonischen Pole des Betriebs mit fester Schaltfrequenz sind weg, wie zum Beispiel bei konstanter Einschaltzeit (COT). Wenn jedoch die Erweiterung der Bandbreite sicherlich eine bessere Reaktionszeit bringt, verringert sie die Robustheit des Netzteils gegenüber Rauschen: Stellen Sie sich das als Trichter vor, je breiter er ist, desto störanfälliger wird das Netzteil. Passen Sie die Frequenzweiche also so an, dass sie den akzeptablen Unterschwinger für einen bestimmten Ausgangskondensator erfüllt, und nicht mehr.

Bei Wandlern wie Boost oder Buck-Boost (Flyback für die isolierte Version) gibt es eine Verzögerung im Umwandlungsprozess, die als Null auf der rechten Halbebene modelliert wird: Sie müssen währenddessen Energie in der Induktivität speichern$t_{on}$bevor Sie den Ausgangskondensator während speisen$t_{off}$. Wenn daher ein plötzlicher Leistungsbedarf auftritt, muss der Strom in der Induktivität Zyklus für Zyklus mit einer ausreichenden Geschwindigkeit wachsen, um mit dem Bedarf Schritt zu halten. Wenn die Anforderung zu schnell ist oder wenn die Induktivität zu groß ist, fällt die Ausgangsspannung kurzzeitig ab und es kommt zu Schwingungen. Um dieses Problem zu vermeiden, müssen Sie den Wandler absichtlich verlangsamen, um immer genügend Zeit für den Aufbau der Induktorenergie zu haben. Das erreichen Sie, indem Sie den Crossover-Wert für diese beiden Wandler begrenzen. Eine gute Empfehlung ist zu haben$f_c<0.3f_{RHPZ}$Das heißt, Sie berechnen die niedrigste Position des RHP-Nullpunkts (niedrigste Eingangsspannung und höchster Ausgangsstrom) und begrenzen$f_c$unter 20-30% dieses Wertes. Der Versuch, darüber hinauszugehen, verringert die Phasenreserve. Schließlich ist, wie bei einem Buck in Voltage-Mode-Control, die minimale Frequenzweiche$f_c>3f_0$Aber dieses mal,$f_0$bewegt sich in Beziehung zu$D$, das Tastverhältnis.

Im Strommodus liegt die Resonanz bei$f_0$verschwindet, aber das RHPZ nimmt eine ähnliche Position ein, sodass Sie keinen schnelleren Konverter haben können, als die Leute glauben. Wie Sie lesen können, ist die Frequenzweichenauswahl keine magische Zahl, die aus dem Hut gezogen wird, sie muss basierend auf dem Wandler, den Sie stabilisieren möchten, und der Leistung, die Sie erreichen möchten, bestimmt werden. Das folgende Bild bietet eine Zusammenfassung für CCM-Konverter (Continuous Conduction Mode).

Der beobachtende Teil sollte möglichst wenig Verzögerung / Filterung haben (Bandbreite & Linearität maximieren). Wenn es eine erhebliche Verzögerung bei der Beobachtung gibt, erzeugen Sie sehr wahrscheinlich einen Oszillator.

OT: Üblicherweise muss die Bandbreite des Regelkreises kleiner sein als die Schaltfrequenz. (Das ist jedoch nicht für alle Topologien erforderlich.) Je nach Topologie, Buck, Boost, Flyback, Forward, LLC, müssen die Dinge möglicherweise sehr spezifische Anpassungen an ihrem Regelkreis vornehmen, um stabil und wie beabsichtigt zu funktionieren.

Im Allgemeinen werden Regelkreise stabilisiert, indem ihre Ausgangsanstiegsgeschwindigkeit reduziert wird, wodurch die Reaktion von Integrator und Verstärkern verlangsamt wird. Dies verschafft dem gesamten System (DC/DC) Zeit, auf eine „kleine“ Änderung von der Steuerung zu reagieren.

Trotzdem wage ich zu behaupten, dass es möglich ist, einen Controller mit einer Bandbreite zu erstellen, die der Schaltfrequenz entspricht. Hysterischer PWM-Controller tut dies. Es hat eine Verzögerung beim Beobachter, um absichtliche Schwingungen zu verursachen. :-) Iirc, das war eine Erfindung von Philips, sie haben mit dieser Methode einen hochwertigen Audioverstärker geschaffen.