¿Por qué el control de modo de corriente histérica tiene una frecuencia de conmutación variable?

Un regulador de conmutación histérico, también llamado regulador de ondulación o regulador bang-bang, se encuentra entre las estructuras de conmutación más simples que pueda imaginar. En esencia, este es un sistema inestable cuyo período de alternancia depende de las diversas constantes de tiempo involucradas en el circuito. No hay reloj interno y el sistema se relaja automáticamente. Por ejemplo, considere la implementación simple a continuación:

dando los siguientes resultados de simulación:

Siempre que el voltaje de salida esté por debajo del objetivo establecido por$V_{ref}$, el interruptor de potencia permanece cerrado y la corriente en el inductor crece con una pendiente dada por$S_{on}=\frac{V_{in}-V_{out}}{L}$. En un circuito real, un límite de corriente interrumpiría el proceso, pero no se representa aquí por motivos de simplicidad. cuando el voltaje$V_{out}$alcanza el objetivo, el interruptor se apaga, el diodo de rueda libre se enciende y la corriente del inductor decae con una pendiente igual a$S_{off}=-\frac{V_{out}}{L}$. El voltaje también decae y crea una ondulación hecha de una capacitiva ($C_{out}$) y resistivo ($r_C$) contribuciones. Cuando el voltaje alcanza el segundo umbral, el interruptor se enciende nuevamente e inicia un nuevo ciclo. La amplitud de la ondulación y, por lo tanto, la frecuencia de funcionamiento depende de la banda de histéresis seleccionada.

Por lo tanto, puede ver que no solo las pendientes de entrada y salida dependen de los voltajes de entrada y salida, sino que el ritmo al que baja el voltaje de salida está relacionado con la corriente de salida o$R_L$. Como tal, un convertidor histerético en su forma de conmutación más simple puede ocupar un espectro de frecuencia muy grande e incontrolado. Si el convertidor alimenta una sección de RF, la contaminación EMI puede ocurrir y molestar al receptor, por ejemplo (por ejemplo, los teléfonos celulares rara vez incorporan convertidores histéricos). Además, a la inversa, el convertidor en funcionamiento con carga ligera reducirá su frecuencia de conmutación (bueno para la eficiencia) pero puede ser potencialmente muy ruidoso (frecuencia de conmutación de audio), especialmente con inductores baratos y picos de corriente elevados. Eche un vistazo a estos venerables conmutadores como el µA78S40 (MOT lo fabricó pero Signetics lo introdujo originalmente si no me equivoco) o el MC34063, que todavía se vende en grandes cantidades. Eran buenos generadores de ruido cuando estaban en funcionamiento :)

Se conocen varias técnicas para estabilizar la frecuencia y evitar grandes variaciones. Un artículo escrito por J. Sun y R. Redl explora las diversas soluciones disponibles. Los convertidores histeréticos son muy populares en los convertidores CC-CC de bajo voltaje y alta corriente para placas base (12 V a 1,2 V, por ejemplo). Una característica del convertidor histerético es su capacidad de reaccionar inmediatamente a un paso transitorio, ya que no tiene que esperar al siguiente ciclo de reloj para iniciar un nuevo encendido. Debido a su falta de estados estables, es difícil construir un modelo promedio. Sin embargo , L. Meares de Intusoft hizo un enfoque interesante aquí . ¡Espero que esta breve introducción lo anime a profundizar más en el tema!

El bucle de control se activa y desactiva con corrientes de inductor específicas. La energía almacenada en un inductor es 1/2 Li ^ 2, y el interruptor se abre a un nivel de corriente fijo y el inductor comienza a relajarse; luego, el interruptor se cierra en el segundo nivel de corriente y el inductor comienza a recargarse. La diferencia entre estas dos energías entra en la carga de cada ciclo. Dado que hay una cantidad fija de energía en cada ciclo, la frecuencia de los ciclos debe aumentar para aumentar la potencia. Esto significa que la frecuencia de conmutación y la ondulación variarán con la carga.