Was ist mit Schaltnetzteilen mit variabler Frequenz?

Vielleicht ist diese Frage vielleicht zu weit gefasst für die Website: Nachdem ich jedoch bei Google nachgesehen, die Literatur durchsucht und einen Freund gefragt hatte, der Spezialist für das Design von SMPS ist, ohne eine nützliche Antwort zu erhalten, entschied ich mich, sie hier zu stellen, und entschuldige mich im Voraus, falls es ist "off-topic".

Frage : Gibt es Schaltnetzteil-Topologien, die nicht auf dem Standard-PWM-Paradigma beruhen, sondern beispielsweise durch die Erzeugung einer variablen, spannungsgesteuerten, frequenzgesteuerten Sinusschwingung arbeiten? Und falls die Antwort ja lautet, was sind ihre am häufigsten verwendeten Strukturen?

Ein bisschen Hintergrund

  • Das Thema hat mich interessiert, als ich die Zeitleiste der Schaltleistungsumwandlung in Wikipedia gesehen habe: Sie umfasst mindestens 50 Jahre, daher scheint es plausibel, dass viele verschiedene Ideen entwickelt wurden. Warum sich also auf die Entwicklung von Festfrequenz-PWM-Modulatoren/Demodulatoren konzentrieren?
  • In allgemeinen Handbüchern und Anwendungshinweisen sowie über Schaltnetzteile heißt es gelegentlich, dass „die Frequenz fest gehalten wird, um die EMV-Konformität zu verbessern“. Es scheint jedoch eher ein Designtrend und keine Designanforderung zu sein, die durch tiefe physikalische Einschränkungen auferlegt wird, wie es beispielsweise in [1] zu sehen ist. Warum also immer den PWM-Designweg wählen?

Verweise

[1] Mikko Kuisma, " Variable Frequency Switching in Power Supply EMI-Control: An Overview ", Januar 2004, IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine 18(12):18-22, DOI: 10.1109/MAES.2003.1259021.

Suchen Sie nach Hysteresesteuerung. Das Problem mit variabler Frequenz besteht darin, dass es viel schwieriger ist, die Ausgangswelligkeit zu filtern.
Damit verbunden ist eine ständige Pünktlichkeitskontrolle.
Vielen Dank @ user110971: Also möglicherweise eine Frage der Ausgangswelligkeitsfilterung? Es scheint etwas, das durch Erhöhen der Frequenz verbessert werden könnte, oder übersehe ich etwas Subtileres?
@DanieleTampieri mit variabler Frequenz können Sie sowohl nieder- als auch hochfrequent schalten. Die Frequenz ist auch von den Transienten abhängig. Es kommt also darauf an, wie hoch die Belastung ist. Digitale Lasten neigen dazu, an der Taktflanke Strom zu ziehen, während analoge Lasten die meiste Zeit Dauerströme ziehen. Daher sind Sie sich nicht sicher, wo Sie auf der Filterkurve landen werden. Sie haben jedoch ihren Nutzen. Die Bang-Bang-Steuerung hat schnellere Einschwingzeiten und kann eine geringere Welligkeit haben, wenn Sie die Last kennen. Da die meisten SMPS jedoch als separate Einheiten verkauft werden, gilt dies nicht allgemein.
Auch selbstoszillierende Topologien sind einen Blick wert.
Absolut, so etwas gibt es. Es heißt PFM-Pulsfrequenzmodulation. techweb.rohm.com/knowledge/dcdc/dcdc_sr/dcdc_sr01/897
Sehen Sie sich so ziemlich alles von Vicor ( vicr.com ) an. Sie haben drei Generationen von DC/DC-Steinen, und jeder ist seltsamer als der vorherige. Nullspannungsschaltung, Quasi-Resonanz, konstante Einschaltzeit usw. Wenn es dicht und seltsam ist, ist es Vicor.
Es gibt viele verschiedene Strategien. Und viele der PWM-Controller mit fester Frequenz können unter bestimmten Bedingungen (z. B. sehr geringe Last usw.) tatsächlich in einen anderen Modus wechseln.
Wenn sich der Eingang oder der Ausgang ändert, passt der selbstoszillierende Wandler seine Frequenz an, um den Bedarf zu decken. Ein sehr einfaches Beispiel ist der Joule Thief , der sehr einfach zu bauen ist und eine Leistungsinduktivität, eine Sensorinduktivität, einen Transistor, einen Widerstand, eine LED und eine Zelle (1,5 V) hat. Wenn Sie den Widerstand durch ein Potentiometer und die Zelle durch ein einstellbares Netzteil ersetzen, können Sie die Frequenzänderung beobachten, wenn Sie das Poti drehen.
Als gekoppelte Induktivität können Sie eine große Toroid-Gleichtaktdrossel mit diagonal verlaufender Verbindung verwenden. Diese können bis auf etwa ein halbes Volt schwingen, woher der Name kommt – sie stehlen „Joule“ Energie aus „toten“ Batterien (eine Zelle gilt bei 0,8 Volt nach Industriestandard als tot).

Antworten (2)

Um mit DC-DC-Schaltung auf eine bestimmte Spannung zu regeln, variieren Sie im Allgemeinen das Tastverhältnis der Treiberwellenform. Dafür gibt es mehrere Techniken, einschließlich dieser beiden bekannten Methoden:

  • feste Frequenz, variabler Arbeitszyklus (PWM)
  • feste Einschaltzeit, variable Ausschaltzeit (manchmal COT genannt, konstante Einschaltzeit)

In der Realität können Regler je nach Lastzustand mehr als eine Methode verwenden. Und zwischen jedem Typ gibt es Kompromisse zwischen Welligkeit vs. Effizienz vs. Einschwingverhalten.

Es gibt auch feinere Details über die Art der Regelschleife (z. B. Strommodus, Spannungsmodus usw.), die die Wahl des Reglers beeinflussen.

In letzter Zeit neige ich dazu, COT für Hochstromversorgungen mit schnellen Transienten zu verwenden, da das Halten der Spannung über einem Minimum wichtiger ist als die Genauigkeit (Logikkernversorgung).

Für rauschempfindlichere Versorgungen wird PWM mit fester Frequenz bevorzugt, das zwar langsamer auf Transienten reagiert, aber weniger (oder besser vorhersehbare) Welligkeit aufweist.

MEHR: (Rufen Sie John D für den Kommentar auf) Es gibt eine neuere, effizientere Topologie, die tatsächlich Frequenz verwendet: LLC-Resonanz. In groben Zügen fügt dieser Typ eine abgestimmte LC-Schaltung in Reihe mit dem Schalter hinzu. Die an die Last gelieferte Leistung wird angepasst, indem die PWM-Frequenz über oder unter den LC-Resonanzpunkt variiert wird, um eine Regelschleife zu erzeugen.

LLC-Resonanzversorgungen sind komplexer als PWM, haben aber den Vorteil geringerer Schaltverluste. Mehr hier: https://www.electronicdesign.com/power-management/article/21805811/llc-resonant-converters-raise-the-powerefficiency-bar

Es gibt auch resonante Topologien wie LLC, die die Resonanzkurve eines Schwingkreises zur Regelung nutzen.
Sehr clever diese LLC-Resonanzversorgungen.

Gibt es Schaltnetzteiltopologien, die nicht auf dem Standard-PWM-Paradigma beruhen?

Ja.

Pulsdichtemodulation ist eine Sache, und das ist im Grunde Frequenzmodulation.

Außerdem gibt es "Spreizspektrum"-SMPS, bei denen die Taktung absichtlich ungleichmäßig ist, um das Schaltrauschen im Frequenzbereich zu verteilen, anstatt scharfe Harmonische zu erzeugen.

Außerdem können viele stromsparende SMPS-Controller in Situationen mit der geringsten Last zwischen einem PWM- und einem Impulsdichtemodus umschalten.

In allgemeinen Handbüchern und Anwendungshinweisen sowie über Schaltnetzteile heißt es gelegentlich, dass „die Frequenz fest gehalten wird, um die EMV-Konformität zu verbessern“.

Wenn Sie also das Schaltgeräusch auf diskrete Frequenzen beschränken möchten, müssen Sie verdammt sicher sein, die Frequenz konstant zu halten. Ich meine, das ist die Mathematik dessen, was "Spektrum" ist.

Wenn jedoch eine starke Periodizität Ihre Anwendung stört (was häufig der Fall ist), sollten Sie dies vermeiden. Deshalb gibt es Dinge wie den PCIe-Bus mit der Option für Spread-Spectrum-Taktung und die oben erwähnten Spread-Spectrum-SMPS.

Diese Aussage ist also mit einem Körnchen "... je nachdem, was Sie als schlechtes Rauschen für Ihre Anwendung betrachten" zu verstehen.

Es scheint jedoch eher, dass dies ein Designtrend ist und keine Designanforderung, die durch tiefe physische Einschränkungen auferlegt wird.

Was? Das macht keinen Sinn. Die Mathematik ist ziemlich klar: Wenn Sie etwas periodisch tun, erhalten Sie diese Periodizität als Komponente in Ihrem Spektrum. Das ist kein "Trend". Das ist die zugrunde liegende Mathematik und Physik in ihrer reinsten Form.

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