Warum verwenden wir Closed-Loop-Feedback in Abwärtswandlern?

Die Hauptsache, die Sie vermissen, ist, dass das, was in den LC-Filter eingegeben wird, nicht unbedingt immer eine Rechteckwelle ist. Dies ist der Fall, wenn sich der Abwärtswandler im kontinuierlichen Modus befindet. Wenn Sie jedoch nicht wissen, dass dies immer der Fall ist, können Sie nicht davon ausgehen, dass der Rechteckwelleneingang zum Filter so ist, wie Sie es sind.

Im kontinuierlichen Modus ist die Ausgangsspannung idealerweise die Eingangsspannung multipliziert mit dem Arbeitszyklus. Allerdings ist es in der realen Welt nicht so einfach. Selbst wenn die Eingangsspannung konstant bleibt, müssen der DC-Widerstand der Induktivität, die Spannung über dem Schalter und die Spannung über der Diode von Masse während der Puls-Low-Zeit berücksichtigt werden.

Letzteres kann durch Synchrongleichrichtung gemildert werden, aber auch das ist nicht perfekt. Zumindest gibt es den Spannungsabfall über dem, was als Synchrongleichrichterschalter verwendet wird. Das Timing der synchronen Gleichrichtung wird normalerweise auch konservativ gemacht, was bedeutet, dass es eher etwas zu kurz als zu lange bleibt. Der Preis für ein etwas frühes Abschalten ist ein größerer Spannungsabfall am Ende des Flyback-Teils des Impulses. Die Kosten für ein zu spätes Einschalten sind jedoch das Durchschießen, was die Effizienz schnell verringert und die Gefahr einer Beschädigung von Teilen birgt.

Ich habe Netzteile mit Vorregelung gesehen, die Abwärtsumschalter mit festem Arbeitszyklus waren. In einem Fall wurde es verwendet, um eine 48-V-Verteilungsspannung auf ungefähr 12 V herunterzusenken, die lokal verteilt und von anderen Netzteilen auf die endgültig geregelten Spannungen abgesenkt wurde. Es war egal, ob die 12 V etwas variierten.

Ein Allzwecknetzteil muss auch für niedrige Lasten ausgelegt sein. Unterhalb einer bestimmten Last für eine beliebige Schaltfrequenz kann ein Abwärtsschalter den kontinuierlichen Modus nicht aufrechterhalten. Einige OEM-Versorgungsmaterialien geben einfach an, dass eine Mindestlast erforderlich ist.

Allzweckversorgungen greifen auf den diskontinuierlichen Modus zurück. In diesem Fall schlägt Ihre feste Rechteckwellenannahme fehl. Jetzt gibt es wirklich 3 Teile des Zyklus. Zu Beginn wird der Eingang des LC-Filters aktiv hochgetrieben. Wenn das aufhört, beginnt der Flyback-Teil, der den Eingang aktiv niedrig treibt. Dann gibt es die dritte Phase im diskontinuierlichen Modus, in der Sie den Eingang als effektiv hochohmig betrachten. Die Funktion von Tastverhältnis zu Ausgangsspannung ist nicht mehr linear.

Einen Abwärtswandler kann man sich in der Tat als niederohmigen Rechteckwellengenerator vorstellen, der einen Tiefpassfilter speist, der eine Induktivität kombiniert$L$und ein Kondensator$C$. Wie Sie sich jedoch vorstellen können, wenn der Netzschalter schließt,$V_{in}$ist nicht der Wert, der an den linken Induktoranschluss angelegt wird. Die Eingangsquelle erfährt einen Spannungsabfall, der dem Leistungsschalter eigen ist$r_{DS(on)}$und der ohmsche Verlust der Induktivität$r_L$. Als Ergebnis ist die Induktorspannung im Durchlasszustand nicht$V_{in}-V_{out}$aber weniger als das, wie im linken Bild gezeigt:

Während der Ausschaltzeit im kontinuierlichen Leitungsmodus oder CCM fällt der linke Anschluss des Induktors nicht auf 0 V, sondern auf den Vorwärtsabfall der Diode, wodurch der Knoten gezwungen wird, unter Masse zu schwingen. Wenn Sie also das Volt-Sekunden-Gleichgewichtsgesetz für die Induktivität anwenden, stellen Sie fest, dass sich die vollständige Ausgangsspannungsformel einschließlich dieser Verluste von der einfachen in CCM unterscheidet.$V_{out}=DV_{in}$. Sie könnten den Ausdruck weiter verkomplizieren, indem Sie die Diodenerholungszeit und die Ein- und Ausschaltverluste des Schalters einbeziehen.

Wie Sie sagten, würde ein CCM-betriebener Abwärtswandler mit 0 Parasiten, der mit einer konstanten Eingangsspannung betrieben wird, praktisch keine Schleife benötigen, um seinen Ausgangsarbeitspunkt aufrechtzuerhalten. Wie Sie jedoch sehen können, beeinflussen mehrere parasitäre Elemente die DC-Übertragungsfunktion, und ein Regelkreis muss die Steuerspannung korrigieren, damit die Ausgangsspannung das Ziel erreicht. Der Lastwiderstand beeinflusst die Eckfrequenz tatsächlich jedoch nur sehr geringfügig$r_L$und$r_C$. Die Schleife dient dazu, den Regler (der Sollwert ist fest) wirklich immun gegen externe Störungen wie die Eingangsspannung und den Ausgangsstrom zu machen. Siehe das folgende Bild:

Sie sehen die Wirkung des Loops auf mehrere Parameter:

• die Ausgangsspannung: Offensichtlich möchten Sie eine genau geregelte$V_{out}$Sie benötigen also eine Verstärkung in Ihrer Schleife (keine Verstärkung, kein Steuersystem), um a) den statischen Fehler so weit wie möglich zu reduzieren b) ein schnell reagierendes System auf einen plötzlichen Leistungsbedarf sicherzustellen c) das System robust gegenüber externen Störungen zu machen.
• die Ausgangsimpedanz: Wie Sie sehen können, wird die Ausgangsimpedanz durch alle Parasiten wie die behindert$r_{DS(on)}$, die ohmschen Verluste usw. Die Kleinsignalantwort auf einen Schritt wird durch die Ausgangsimpedanz bestimmt. Sie möchten daher, dass diese Impedanz einen ausreichend niedrigen Wert hat, um sicherzustellen, dass der Ausgangsabfall bei Änderungen des Laststroms angemessen bleibt. Die Verstärkung der Schleife wirkt, um die Ausgangsimpedanz durch die Empfindlichkeitsfunktion zu reduzieren$S=\frac{1}{1+T(s)}$in welchem$T$ist die Schleifenverstärkung.
• dasselbe für die andere Störung,$V_{in}$. Wenn du. .. hast$V_{out}=DV_{in}$das sieht man, wenn man differenziert$V_{out}(V_{in})$in Gedenken an$V_{in}$Sie erhalten$D$. Das bedeutet, dass sich jede statische Änderung der Eingangsspannung auf den Ausgang ausbreitet$D$. Nicht sehr gut. Auch hier verbessert das Hinzufügen der Schleife diese Eingangsspannungsunterdrückung oder Audioanfälligkeit durch die Empfindlichkeitsfunktion.

Sie gehen davon aus, dass das Schaltnetzteil (SMPS) die Pulsweitenmodulation (PWM) verwendet, um einen durchschnittlichen Spannungspegel durchzulassen, und der LC-Filter den Schaltteil entfernt, um diese durchschnittliche Spannung zu belassen. So funktionieren sie jedoch nicht.

Ein SMPS verwendet PWM, um Energie von einer Quelle zu leiten, um sie auf einen Kondensator zu speichern, sodass der Spannungspegel an diesem Kondensator so ist, wie er durch die Rückkopplungsschaltung definiert ist.

Wenn sich die Last ändert und mehr oder weniger Energie benötigt, ändert das SMPS, wie schnell diese Energie übertragen wird, um diesen Kondensator auf der Zielspannung zu halten. Wenn die Last vollständig wegfällt, kann die PWM tatsächlich aufhören.

Wenn Ihre Last fest ist und Ihre Eingangsversorgung ebenfalls fest ist, tritt ein gewisser stationärer PWM-Betrieb auf, aber das ist eigentlich ziemlich selten. Wenn Sie es ohne Rückkopplung versuchen, führt JEDER Unterschied in der Last oder Quelle dazu, dass die Ausgangsspannung im Laufe der Zeit in die eine oder andere Richtung driftet, da die Energieübertragung entweder zu hoch oder zu niedrig ist.

Die obige Antwort ist wirklich großartig. Danke.

Unter dem Nicht-Idealitätseffekt von Schaltern und Dioden und DCM ist meiner Meinung nach einer der Gründe das Einschwingverhalten. Um ein schnelles Einschwingverhalten zu haben, müssen Sie eine hohe Übergangsfrequenz haben, die das Ansprechen schnell macht. Aber der LC-Filter schneidet tatsächlich die 0 dB in mehreren kHz ab. Normalerweise möchten Sie, dass Ihre Übergangsfrequenz so hoch wie möglich ist, aber aufgrund der Nyquist-Rate nicht über die Hälfte der Schaltfrequenz hinausragt. Sie brauchen also das Feedback, das Ihnen eine gewisse Verstärkung gibt, damit Sie die Übergangsfrequenz auf etwa hundert kHz bringen können.

Wenn man einen Abwärtsschalter mit synchronen Schaltern anstelle von Dioden konstruiert und die Schalter Strom in beide Richtungen leiten könnten, würde die Versorgung Strom von der Versorgungskappe zur Lastkappe leiten, wenn ihre Ausgangsspannung weniger als die Hälfte der Eingangsspannung beträgt Spannung und von der Lastkappe zur Versorgungskappe, wenn sie größer ist, wodurch eine etwas schlampige (aber vielleicht nützliche) Regulierung erreicht wird. Wenn nichts Strom aus der Lastkappe zieht, würde sich ein mit 50 % Einschaltdauer betriebenes System in Richtung eines Modus stabilisieren, der Folgendes bewirken würde:

1. Führen Sie im ersten Viertel jedes Zyklus Strom von der Lastkappe zur Versorgungskappe, indem Sie die gespeicherte Energie in der Induktivität verwenden, um den Strom gegen die Potentialdifferenz zu treiben.

2. Führen Sie während des nächsten Viertels Strom von der Versorgungskappe zur Lastkappe, während Sie die Induktivität mit Energie aus der Potentialdifferenz aufladen.

3. Führen Sie während des nächsten Quartals weiterhin Strom in die Lastkappe (bei getrennter Versorgung), indem Sie die gespeicherte Energie in der Induktivität nutzen.

4. Ziehen Sie während des letzten Viertels Strom aus der Lastkappe (wieder bei getrennter Versorgung) und speichern Sie diese Energie in der Induktivität.

Wenn die Schalter alle in beide Richtungen arbeiten können, wäre das System in diesem Muster stabil. Wenn jedoch einer oder beide Schalter nur in eine Richtung arbeiten können, müsste jegliche Energie, die von der Quelle in den Induktor übertragen wird, entweder an die Lastkappe übertragen oder irgendwo als Wärme abgeführt werden. Die Energiemenge, die der Induktor in einem "Ein"-Zyklus von der Quelle erhält, hängt davon ab, wie viel Strom anfänglich durch ihn geflossen ist, aber wenn der Anfangsstrom nicht negativ sein kann, hat die in einem Ein-Zyklus empfangene Energie einen nicht trivialen Wert Minimum. Wenn diese Energie nirgendwohin gehen kann, muss die "Ein"-Zeit verkürzt werden.