SMPS-Eingangsimpedanz als Funktion der Frequenz

Ich entwerfe SMPSs mit Buck-, Boost- und Flyback-Topologien. Als Eingangsfilter verwende ich hauptsächlich klassische L-Filter.

Es ist wichtig, die Ausgangsimpedanz des Eingangsfilters erheblich niedriger als die Eingangsimpedanz des SMPS zu machen, da die Eingangsimpedanz des SMPS wie ein negativer Widerstand wirkt, der andernfalls zu Instabilität führen könnte.

Ich las einen Anwendungshinweis von TI ( snva538 ), als ich auf dieses Bild stieß.Impedanz als Funktion der Frequenz

Was mich verwirrt, ist die Form der Eingangsimpedanz des SMPS als Funktion der Frequenz.

Ich habe bisher nur die Worst-Case-Impedanz als Funktion der Eingangsspannung (der niedrigsten Eingangsspannung) berechnet und diesen Wert verwendet, um zu entscheiden, ob die Ausgangsimpedanz des Eingangsfilters zufriedenstellend ist. Das obige Bild zeigt nun, dass dies nicht ausreichen würde und ich auch den Worst-Case-Punkt und seinen Wert als Funktion der Frequenz berechnen sollte.

Meine Frage ist also, welche Parameter und Phänomene die Eingangsimpedanz eines SMPS als Funktion der Frequenz beeinflussen und wie man mathematisch damit umgeht.

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Meine Frage ist also, welche Parameter und Phänomene die Eingangsimpedanz eines SMPS als Funktion der Frequenz beeinflussen und wie man mathematisch damit umgeht.

Das hat mich ein wenig nachdenklich gemacht (eine gefährliche Sache!). Ein SMPS des Typs in dem TI-Dokument ist im Grunde ein DC-zu-DC-Wandler und kein AC-zu-DC-Wandler. Ich wollte das klarstellen, damit es keine Missverständnisse darüber gibt, wovon ich in meiner Antwort spreche.

Bei der Eingangsimpedanz müssen wir "erwägen", eine kleine Sinuswelle auf die DC-Eingangsspannung anzulegen und dann die Dinge zu analysieren. Diese kleine Sinuswelle wird durch die Schaltaktion im Konverter "moduliert" und Sie erhalten ein Signal (vor dem LC-Ausgangsfilter des Umschalters), das ungefähr so ​​​​aussieht: -

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Dies ist eindeutig nur der AC-Teil der Ausgangswellenform; sie wird natürlich einer Gleichspannung überlagert. Wenn Sie nun die AC-Wellenform perfekt tiefpassgefiltert haben, erhalten Sie eine Sinuswelle mit genau derselben Frequenz wie die eingegebene Sinuswelle, jedoch mit einer kleineren Amplitude.

Die Verringerung der Amplitude ist auf das Tastverhältnis des Schaltwandlers zurückzuführen, dies ist jedoch ohne Bedeutung, da der eigentliche Punkt darin besteht, dass ein Schaltwandler immer noch eine Frequenz ausgibt, die der der Eingangsspannung überlagerten Sinuswelle entspricht.

Okay so weit?

Was passiert also, wenn diese "modifizierte" Sinuswelle auf den LC-Filter am Ausgang des Konverters trifft? Ich nenne es einen LC-Filter, weil es genau das ist: -

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Ja, L und C bilden einen grundlegenden Teil bei der Energieübertragung von der geschalteten Wellenform zum stabileren DC-Ausgang, aber es ist immer noch ein LC-Filter.

Dieser LC-Tiefpassfilter hat einen ziemlich hohen Q. Mit anderen Worten, er kann sehr resonant sein, da die DC-Verluste in der Induktivität absichtlich klein sind, und außerdem ist es gut verständlich, dass die LC-Eigenresonanzfrequenz MUSS deutlich kleiner als die niedrigste Schaltfrequenz sein. Wenn die Schaltfrequenz weitgehend mit der Resonanzfrequenz übereinstimmt, haben Sie ein großes Problem, da der LC direkt vom Schaltknoten zu 0 V als Serienresonanznetzwerk fungiert und dies die Funktionalität beeinträchtigt.

Wenn also die kleine Sinuswelle, die (durch Schaltvorgang) an den Eingang des LC übertragen wird, eine Frequenz hat, die mit der natürlichen Resonanzfrequenz dieses LC übereinstimmt, haben Sie theoretisch einen Umschalter mit einer Eingangsimpedanz von Null.

Aus diesem Grund hat ein SMPS des Typs in dem Dokument (z. B. irgendein Abwärtsregler) natürlich eine Eingangsimpedanz, die bei einer bestimmten Frequenz auf einen ziemlich niedrigen Wert abfällt, und diese Frequenz wird grundlegend durch die Resonanzfrequenz des Ausgangsfilters bestimmt.

Hinzu kommt der Eingangsentkopplungskondensator über den Eingangsdrähten eines beliebigen Schaltwandlers. Mit anderen Worten, es gibt einen allgemeinen Abfall der Eingangsimpedanz, wenn die Frequenz ansteigt. Da auch der Schalttransistor keinen Null-Ohm-Widerstand hat, verringert sich der oben beschriebene Resonanzeffekt leicht.

Danke. Ich hatte die Formel im Designbeispiel im Anhang der Anwendungsnotiz nicht bemerkt, daher war ich mir nicht einmal sicher, ob das Phänomen auf die Tiefpasselemente auf der Ausgangsseite des SMPS zurückzuführen war. Wenn wir nun den Ausbreitungspfad betrachten, wird die Sache für Abwärts- und Sperrwandler noch schlimmer, da sich der Wechselstrom im schlimmsten Fall besser ausbreitet, wenn die Eingangsspannung niedrig und der Arbeitszyklus am längsten ist. Für Aufwärtswandler ist dies jedoch ein Glücksfall, da sich ihr Arbeitszyklus mit der Eingangsspannung verringert, sodass dieser „parasitäre“ Effekt auf die Eingangsimpedanz im schlimmsten Fall gedämpft wird.
SMPS-Eingangsimpedanz als Funktion der Frequenz
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