Warum liefert mir mein einfacher Aufwärtswandler eine so hohe Spitzenausgangsspannung?

Ihr Boost arbeitet im diskontinuierlichen Leitungsmodus oder DCM (Induktorstrom geht bei jedem Schaltzyklus auf Null). Der Arbeitszyklus wird eine Funktion der Last sowie des Arbeitszyklus. Wenn Sie die Last, den Induktorwert oder die Schaltfrequenz erhöhen, erreichen Sie einen Punkt, an dem Sie Ihre Regulierung dort sehen, wo Sie sie erwarten – dies wird als CCM oder kontinuierlicher Leitungsmodus bezeichnet. Der Drosselstrom fällt nicht auf Null, sondern fließt kontinuierlich. Hier gilt Ihre Einschaltdauerformel.

20 kHz sind für einen Aufwärtswandler sehr langsam. 14A Spitzeninduktorstrom sind ebenfalls unrealistisch. Die meisten PFC-Aufwärtswandler arbeiten von 70 bis 100 kHz. Wandler mit niedrigerer Frequenz benötigen im Allgemeinen größere Induktivitäten. Wenn Sie CCM bei 20 kHz erreichen möchten, benötigen Sie einen viel größeren Boost-Induktivitätswert. Probieren Sie in Ihrer Simulation 470 uH aus und Sie werden sehen, dass die Spannung näher an 12 V liegt. (Wenn Sie einen Controller in Ihrem Modell hätten, würde dieser den Arbeitszyklus automatisch anpassen, um 12 V zu erreichen, unabhängig vom CCM- oder DCM-Betrieb).

Da Ihr Konverter so stark auf DCM ausgelegt ist, ähnelt die Schaltknotenspannung der Ausgangsspannung. Wenn Sie sich CCM nähern, sehen Sie ein klareres Bild.

Für diese Simulation wird der Kondensator so dimensioniert, dass der Spannungseinbruch beim Einschalten (verursacht durch die Last) nicht übermäßig groß ist. Im wirklichen Leben gibt es andere Parameter, die wichtig sind (Gesamtschleifenstabilität, Welligkeitsstrom und Lebensdauer), die Sie berücksichtigen müssen, zusammen mit der richtigen MOSFET-Auswahl, Sperrverzögerung und Weichheit der Boost-Diode ...

Mit den von Ihnen gewählten Komponentenwerten ist es in der Tat besser geeignet, mit der 200-kHz-Frequenz zu fahren. Selbst bei 200 kHz finde ich, dass ein besser geeigneter Ausgangskondensator eher 33 oder 47 uF haben kann.

Wenn Sie einen idealen Induktor ohne spezifizierten äquivalenten Serienwiderstand verwenden, würde ich vorschlagen, dass Sie einen der realistischen Induktoren aus der LTSpice-Bibliothek wie den Coiltronics CTX10-3 ausprobieren. Dieser hat einen DCR von 0,028 Ohm. Dies hilft, den anfänglichen Anstieg des Anlaufstroms zu reduzieren.

Beachten Sie auch, dass ein realistisches Design mit einem tatsächlich schaltenden VR-Controller über eine Sanftanlauffunktion verfügen würde, die das PWM-Tastverhältnis ohne den großen anfänglichen Anstieg allmählich auf sein Betriebsniveau bringt. Außerdem würde ein Controller die Ausgangsspannung über einen Teiler überwachen und mit einer Referenz vergleichen, um das PWM-Tastverhältnis kontinuierlich anzupassen und so die Ausgangsspannung zu regulieren.

Ich hatte auch Probleme mit dieser Schaltung in LTspice. Ich glaube nicht, dass mein Problem genau das gleiche war wie Ihres, aber dies ist das einzige anständige Ergebnis bei der Suche nach "ltspice Boost Converter", also werde ich meine Antwort hier einfügen.

Hier sind die Dinge, die ich falsch gemacht habe:

1. Ich habe das generische "nmos"-Modell verwendet. Es funktioniert nicht. Ich weiß nicht warum, aber es scheint, als hätte es selbst im eingeschalteten Zustand einen wirklich hohen Widerstand, was seltsam ist. Wie auch immer, der Weg, dies zu beheben, besteht darin, den generischen NMOS zu platzieren, dann mit der rechten Maustaste darauf zu klicken und auf "Neuen Transistor auswählen" zu klicken und dann einen aus der Liste auszuwählen, z. B. IRFP4667.

2. Mein Filterkondensator war viel zu groß. Dies bedeutet, dass die Ausgangsspannung in der Größenordnung von Sekunden benötigt, um sich einzupendeln (im wirklichen Leben in Ordnung, aber in einer Simulation ärgerlich).

Hier ist meine letzte Schaltung:

Details (wahrscheinlich nicht kritisch):

• Ich habe der 5V-Spannungsquelle einen Serienwiderstand von 1 Ohm gegeben.
• Die Induktivität hat einen Serienwiderstand von 6 Ohm.
• Impulsfolgeparameter sind Ton = 8 us, Toff = 2 us (T = 10 us; 100 kHz).

Wenn jemand weiß, warum das Standard-nmos-Modell nicht funktioniert, lassen Sie es mich wissen!

Sie sagten: "Ich wollte eine quälend einfache Aufwärtswandlerschaltung bauen." Ich wollte das Gleiche tun und habe viele Joule Thief in LTSpice gebaut, und ich habe sie in die gleiche Kategorie eingeordnet – Der Joule Thief ist wirklich ein selbstoptimierender Aufwärtswandler, der als Bastlerschaltung getarnt ist, aber ich habe einen gelernt viel über Boost-Konverter vom Stepping der Joule Thief-Parameter. Und weil es sich selbst optimiert, tut es fast immer etwas und gibt Ihnen ein Gefühl dafür, wie sich jeder Aspekt der Schaltung auf die Dinge auswirkt. Hier ist ein Joule-Dieb, mit dem du dich anlegen kannst:

Das ist also ein Weg. Aber...

Wenn Sie Joule-Thief-Experimente in LTSpice mit einem rezeptähnlichen Ansatz verknüpfen möchten, schlagen Sie ein paar der 34063-Datenblätter wie diesen MC34063A von ON Semi nach . Es gibt eine Tabelle mit Formelrezepten für den Aufwärtswandler, den Abwärtswandler und den invertierten Aufwärtswandler.

Hier ist das Schema für den Aufwärtswandler:

Und hier ist die Formeltabelle, die Schritt für Schritt von oben nach unten zu befolgen ist:

Wenn Sie abwechselnd mit diesen beiden Richtungen spielen, glaube ich, dass Sie sich etwas von der Intuition "beibringen" können, die Sie bekommen möchten.

Ich konnte keinen MC34063 in der LTSpice-Bibliothek finden, aber Sie können die Übung aus der Tabelle durchgehen und dann einen Joule Thief oder einen beliebigen Boost-Konverter-Chip aus der LTSPice-Bibliothek herausziehen und die Komponenten anschließen, die Ihnen ein bestimmtes Szenario gegeben hat. und es sollte nahe an dem sein, was Sie wollen, und dann können Sie es optimieren. HTH.