Kondensatorspannung im Abwärtswandler und wie er die Spannung heruntersetzt

Es kann sinnvoller sein, sich auf den Induktor zu konzentrieren:

Nehmen Sie zunächst an, dass es ziemlich groß ist und die Schaltfrequenz schnell ist.

Jetzt bleibt der Strom durch die Induktivität ziemlich konstant und immer in der gleichen Richtung.

Bei eingeschaltetem Schalter steigt der Strom allmählich an, von:

Bei ausgeschaltetem Schalter$V$wird$0 - V_{out}$(negativ) oder strenger,$-0.6-V_{out}$, So$\frac{dI}{dt}$negativ ist und der Strom allmählich abnimmt.

Und das ist so ziemlich alles. (für einen Buck im CCM, Continuous Current Mode)

Oh - der Kondensator - er hilft nur, dass Vout trotz der Schwankungen des Eingangsstroms nahezu konstant bleibt.

(Zu lange AUS schalten und der Strom fällt schließlich auf$0$: Die Mathematik für den Discontinous Current Mode, DCM, ist anders.)

Stellen Sie sich die Schaltung ohne Kondensator vor. Wenn der Schalter geschlossen ist, fließt der Strom von der Stromversorgung durch die Induktivität, durch den Widerstand zurück zur Stromversorgung.

Während dieser Phase wird der Strom durch die Induktivität mit der Zeit allmählich ansteigen. Der Induktor speichert Energie in seinem Magnetfeld.

Wenn der Schalter öffnet, wird der Induktor zu einer Stromquelle und nutzt die gespeicherte Energie. Strom fließt von der Induktivität durch den Widerstand, durch die Diode zurück zur Induktivität.

Während dieser Phase nimmt der Strom durch die Induktivität mit der Zeit allmählich ab.

Dies bedeutet, dass der Strom durch die Last eine dreieckförmige Wellenform hat, die ansteigt, wenn der Schalter geschlossen ist, und abfällt, wenn der Schalter geöffnet ist.

Nach dem Ohmschen Gesetz ist die Spannung über dem Widerstand somit auch eine Dreieckswellenform.

Der Kondensator überbrückt den AC-Teil des Stroms und lässt nur den DC-Strom durch die Last fließen, wodurch die Spannung an der Last stabilisiert wird.

Um es klar zu sagen, die Spannung des Kondensators (und damit des Widerstands) ist nicht vollständig stabil. Er steigt an, wenn der Kondensator mit dem überschüssigen Strom in der Schließphase des Schalters aufgeladen wird, und fällt wieder ab, wenn sich der Kondensator entlädt und liefert den Defizitstrom in der Schalteröffnungsphase. Mit dem richtigen Kondensator kann diese Welligkeit jedoch sehr klein gemacht werden.

Induktivitäten, Magnetik, Lenz'sches Gesetz, L di/dt ... alles super. Aber lassen Sie uns die ursprüngliche Frage beantworten.

Wenn der Schalter geöffnet wird, erscheint eine negative Spitze

Wir müssen dieses verwirrende Phänomen verstehen, bevor wir uns mit der Schaltungsanalyse befassen. Versuchen Sie herauszufinden, wie ein "Joule Thief" (blockierender Oszillator) funktioniert, ohne dies zu wissen.

Während der ersten Betriebsphase sieht die Schaltung effektiv so aus:

Die Spannungsquelle zwingt Strom durch die Induktivität. Strom fließt von + nach - durch die Induktivität.

Sobald der Schalter öffnet, sieht die Schaltung nun so aus:

Die Induktivität hat tatsächlich die Polarität gewechselt! Durch das zusammenbrechende Magnetfeld ist es selbst zur Spannungsquelle geworden! Strom fließt immer noch von + nach - , aber da die Induktivität jetzt die Schaltung antreibt, fließt sie dazu um die Schleife.

Da der Strom in beiden Betriebsphasen in die gleiche Richtung fließt, versucht er niemals, den Kondensator zu entladen. Nur die Last (R) wird das tun.

Am einfachsten ist es, den Tiefsetzsteller als niederohmigen Rechteckgenerator zu betrachten, der ein Signal liefert, das zwischen der Eingangsspannung umschaltet$V_{in}$und 0 V und gemittelt durch die$LC$Filter:

Eine integrierte Schaltung weist normalerweise den Netzschalter an, sich in einem von der Uhr festgelegten Tempo zu schließen und zu öffnen. Die Zeit, während der der Schalter geschlossen ist, ist die Einschaltzeit und ist gekennzeichnet$t_{on}$. Während$t_{on}$der Netzschalter geschlossen ist und anliegt$V_{in}$über die Diode. Der Induktor wird magnetisiert und ein Strom zirkuliert in der Last. Wenn der Schalter öffnet, wird der Induktor entmagnetisiert und die Diode beginnt zu leiten, um den Strom in der gleichen Richtung zirkulieren zu lassen. Die Spannung über der Diode fällt idealerweise auf 0 V ab und hält bis zum nächsten Taktzyklus an. In diesem Modus betrachten wir den Strom in der Induktivität als kontinuierlich: Er kehrt innerhalb eines Schaltzyklus nie auf 0 A zurück. Dies wird als kontinuierlicher Leitungsmodus oder CCM bezeichnet. Unter Berücksichtigung dieses Modus wird die durchschnittliche Spannung, die von einem perfekten Abwärtswandler (ohne jegliche Verluste) an die Last geliefert wird, wie folgt berechnet:

Dies ist offensichtlich eine sehr vereinfachte Operation, und es gibt eine Fülle von Literatur mit detaillierteren Beschreibungen (Sie können sich hier ein Seminar ansehen, das ich auf einer APEC-Konferenz gehalten habe, oder das Buch lesen , das ich über Schaltwandler geschrieben habe). Sie sehen also, dass das Tastverhältnis$D$wobei die Formel für einen Abwärtswandler zwischen 0 und 100 % eingeschränkt ist$V_{out}=DV_{in}$kann nur zu einer niedrigeren Ausgangsspannung als der Eingangsspannung führen. Bei einer 10-V-Quelle und einem Abwärtswandler, der im kontinuierlichen Leitungsmodus bei einem Tastverhältnis von 50 % betrieben wird, beträgt die Ausgangsspannung beispielsweise$V_{out}=DV_{in}=10\times 5 = 5\;\mathrm{V}$