Stromschritt zum LC-Kreis

Ein Abwärtswandler ist im Grunde eine pulsweitenmodulierte (PWM) Spannung in Reihe mit einem Tiefpassfilter. Der Ausgang des Filters ist (idealerweise) der DC-Mittelwert der PWM-Spannung:

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Die PWM-Spannung wird durch Schalten einer DC-Eingangsspannung erzeugt. Wenn Schalter 1 eingeschaltet ist, ist Schalter 2 ausgeschaltet und umgekehrt:

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Das Schalten erfolgt üblicherweise mit einem MOSFET und einer Diode. Der MOSFET wird durch ein PWM-Signal gesteuert, das von einer analogen Schaltung (unter Verwendung einer Sägezahnwelle und eines Komparators) oder einer digitalen Schaltung (unter Verwendung eines Zählers) erzeugt werden kann:

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Der Tiefpassfilter könnte ein RC-Filter sein, aber das würde viel Energie verschwenden. Stattdessen wird ein LC-Filter verwendet, da LC-Filter (idealerweise) verlustfrei sind:

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Schließlich wird ein Rückkopplungssteuerungssystem hinzugefügt, um Komponentenvariationen zu kompensieren und das Einschwingverhalten des Wandlers zu verbessern:

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Und das ist ein Abwärtswandler. Eine gängige Variante ist der synchrone Abwärtswandler, der die Diode durch einen anderen MOSFET ersetzt, um Leitungsverluste zu reduzieren. Praktische Wandler können weitere Features wie Überlastschutz oder Sanftanlauf haben.

Bei einem Tiefsetzsteller ist die Induktivität Teil eines LC-Filters. Manchmal ist es jedoch hilfreicher, es sich als Energierelais vorzustellen, insbesondere wenn man sich andere Wandlertopologien ansieht. Die Grundidee ist, dass bei eingeschaltetem MOSFET die Eingangsspannungsquelle Energie in der Induktivität speichert. Wenn der MOSFET ausgeschaltet ist, gibt der Induktor diese Energie an die Last ab. Am einfachsten ist dies bei einem Buck-Boost-Wandler zu sehen, bei dem die Eingangsquelle und die Last niemals direkt verbunden sind:

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

In allen Fällen dient der Kondensator dazu, die Ausgangsspannung zu glätten. Der Induktorstrom ist nicht konstant, sodass die Ausgangsspannung ohne den Kondensator während des Schaltzyklus variieren würde. (Bei Buck- und Buck-Boost-Wandlern ist die Induktivität nicht einmal immer mit der Last verbunden!) Es ist kein Snubber, da es immer einen Strompfad für die Induktivität gibt.

Kann jemand intuitiv erklären, was genau in der LC-Schaltung vor sich geht. Wie soll es analysiert werden?

Analysieren Sie es im Frequenzbereich, weil es ein Filter IST: -

Für Frequenzen bis etwa "1" ist der Ausgang weitgehend gleich dem Eingang. Bei höheren Frequenzen wird die Ausgabe mit steigender Frequenz schnell kleiner.

Beispielsweise fällt die Ausgangsamplitude zwischen 10 und 100 um 40 dB ab, und wir können eine ziemlich vernünftige Annäherung vornehmen und die grüne Linie in der obigen Grafik verwenden. Wenn wir die grüne Linie verwenden, können wir sagen: -

• Von DC bis 1 ist der Ausgang konstant
• Von 1 auf 100 ist die Leistung um 80 dB abgesunken

Um ein praktisches Beispiel zu verwenden, sagen wir, der Buck-Regler schaltet bei 100 kHz und der Filter ist so eingestellt, dass er einen 3-dB-Punkt bei 1 kHz hat. Der Mittelwert der Schaltwellenform ist die Gleichspannung, die wir am Ausgang wollen. Aber wir bekommen auch ein paar Geräusche vom Schalten. Wenn die Schaltwellenform 10 Vp-p wäre, könnten wir vernünftigerweise sagen, dass dies im Vergleich zu niedrigen Frequenzen um 80 dB gedämpft würde.

Eine 80-dB-Dämpfung von 10 Vp-p ist 1 mVp-p, so dass bei einer 10-Vp-p-Rechteckwelle am Eingang der Ausgang ein Gleichstromwert ist, der mit einigen Millivolt Welligkeit überlagert ist. Der DC-Ausgang ist natürlich der Durchschnittswert der Schaltwellenform, und wenn das Tastverhältnis 50 % beträgt, beträgt der Durchschnittswert 5 V.