Warum hat die Hysterese-Current-Mode-Regelung eine variable Schaltfrequenz?

Ein Hysterese-Schaltregler, auch Ripple-Regler oder Bang-Bang-Regler genannt, gehört zu den einfachsten Schaltstrukturen, die man sich vorstellen kann. Im Wesentlichen ist dies ein instabiles System, dessen Umschaltperiode von den verschiedenen Zeitkonstanten abhängt, die an der Schaltung beteiligt sind. Es gibt keine innere Uhr und das System ist selbstentspannend. Betrachten Sie zum Beispiel die folgende einfache Implementierung:

mit folgenden Simulationsergebnissen:

Solange die Ausgangsspannung unter dem von eingestellten Sollwert liegt$V_{ref}$, bleibt der Leistungsschalter geschlossen und der Strom in der Induktivität wächst mit einer durch gegebenen Steigung$S_{on}=\frac{V_{in}-V_{out}}{L}$. In einer realen Schaltung würde eine Strombegrenzung den Vorgang unterbrechen, ist hier aber der Einfachheit halber nicht dargestellt. Wenn die Spannung$V_{out}$das Ziel erreicht, schaltet der Schalter aus, die Freilaufdiode schaltet ein und der Induktorstrom fällt mit einer Steigung gleich ab$S_{off}=-\frac{V_{out}}{L}$. Die Spannung fällt ebenfalls ab und erzeugt eine Welligkeit aus einem kapazitiven ($C_{out}$) und resistiv ($r_C$) Beiträge. Wenn die Spannung den zweiten Schwellenwert erreicht, schaltet der Schalter wieder ein und leitet einen neuen Zyklus ein. Die Welligkeitsamplitude und damit die Betriebsfrequenz hängt vom gewählten Hystereseband ab.

Sie können also sehen, dass nicht nur die Ein- und Aus-Flanken von den Eingangs- und Ausgangsspannungen abhängen, sondern auch die Geschwindigkeit, mit der die Ausgangsspannung abfällt, mit dem Ausgangsstrom verknüpft ist oder$R_L$. Somit kann ein Hysteresewandler in seiner einfachsten Schaltform ein sehr großes und unkontrolliertes Frequenzspektrum einnehmen. Wenn der Konverter einen HF-Abschnitt mit Strom versorgt, kann eine EMI-Verschmutzung auftreten und beispielsweise den Empfänger stören (z. B. verwenden Mobiltelefone selten Hysterese-Konverter). Umgekehrt reduziert der Wandler im Schwachlastbetrieb seine Schaltfrequenz (gut für die Effizienz), kann aber möglicherweise sehr laut sein (Audio-Schaltfrequenz), insbesondere bei billigen Induktivitäten und hohen Spitzenströmen. Werfen Sie einen Blick auf diese ehrwürdigen Umschalter wie den µA78S40 (der vom TÜV hergestellt wurde, aber ursprünglich von Signetics eingeführt wurde, wenn ich mich nicht irre) oder den MC34063, der immer noch in großen Stückzahlen verkauft wird. Sie waren schöne Geräuschgeneratoren im Betrieb :)

Es sind mehrere Techniken bekannt, um die Frequenz zu stabilisieren und große Schwankungen zu vermeiden. Ein Artikel von J. Sun und R. Redl untersucht die verschiedenen verfügbaren Lösungen. Hysteresewandler sind sehr beliebt in Hochstrom-Niederspannungs-Gleichstromwandlern für Hauptplatinen (z. B. 12 V bis 1,2 V). Eine Eigenschaft des Hysteresewandlers ist seine Fähigkeit, sofort auf einen transienten Schritt zu reagieren, da er nicht auf den nächsten Taktzyklus warten muss, um ein neues Einschalten einzuleiten. Aufgrund des Mangels an stabilen Zuständen ist es schwierig, ein durchschnittliches Modell zu erstellen. L. Meares von Intusoft hat hier jedoch einen interessanten Ansatz verfolgt . Ich hoffe, diese kurze Einführung wird Sie ermutigen, das Thema weiter zu vertiefen!

Der Regelkreis schaltet bei bestimmten Drosselströmen ein und aus. Die in einem Induktor gespeicherte Energie beträgt 1/2Li^2, und der Schalter wird bei einem festen Strompegel geöffnet und der Induktor beginnt sich zu entspannen; dann wird der Schalter beim zweiten Strompegel geschlossen und die Induktivität beginnt mit dem Wiederaufladen. Die Differenz zwischen diesen beiden Energien geht in die Last bei jedem Zyklus ein. Da in jedem Zyklus eine feste Energiemenge vorhanden ist, muss die Frequenz der Zyklen erhöht werden, um die Leistung zu erhöhen. Dies bedeutet, dass die Schaltfrequenz und die Welligkeit mit der Last variieren.