¿Por qué usamos retroalimentación de circuito cerrado en convertidores reductores?

Lo principal que te falta es que lo que se coloca en el filtro LC no siempre es necesariamente una onda cuadrada. Es cuando el convertidor reductor está en modo continuo , pero a menos que sepa que siempre será así, no puede asumir la entrada de onda cuadrada al filtro como está.

En modo continuo, el voltaje de salida es idealmente el voltaje de entrada multiplicado por el ciclo de trabajo. Sin embargo, no es tan simple en el mundo real. Incluso si el voltaje de entrada permanece constante, hay que considerar la resistencia de CC del inductor, el voltaje a través del interruptor y el voltaje a través del diodo desde tierra durante el tiempo de pulso bajo.

Este último puede mitigarse mediante la rectificación síncrona, pero tampoco es perfecto. Como mínimo, hay una caída de voltaje en lo que sea que se esté usando como interruptor rectificador síncrono. El tiempo de rectificación síncrona también suele hacerse conservador, lo que significa que se equivoca al permanecer demasiado corto en lugar de demasiado largo. El costo de apagar un poco antes es una mayor caída de voltaje al final de la parte de retorno del pulso. Sin embargo, el costo de encender demasiado tarde se dispara, lo que disminuye rápidamente la eficiencia y corre el riesgo de dañar las piezas.

He visto fuentes de alimentación de regulación previa que eran conmutadores reductores de ciclo de trabajo fijo. En un caso, se usó para reducir un voltaje de distribución de 48 V a aproximadamente 12 V, que se distribuyó localmente y se redujo a los voltajes finales regulados por otras fuentes de alimentación. No importaba si los 12 V variaban un poco.

Una fuente de alimentación de propósito general también debe diseñarse para manejar una carga baja. Por debajo de cierta carga para cualquier frecuencia de conmutación, un conmutador reductor no puede mantener el modo continuo. Algunos suministros OEM simplemente indican que se requiere una carga mínima.

Los suministros de uso más general vuelven al modo discontinuo. En ese caso, su suposición de onda cuadrada fija falla. Ahora hay realmente 3 partes en el ciclo. Al principio, la entrada al filtro LC se eleva activamente. Cuando eso se detiene, comienza la parte de retorno, lo que hace que la entrada sea activamente baja. Luego está la tercera fase en modo discontinuo donde considera que la entrada es efectivamente de alta impedancia. La función del ciclo de trabajo al voltaje de salida ya no es lineal.

De hecho, un convertidor reductor se puede visualizar como un generador de onda cuadrada de baja impedancia que alimenta un filtro de paso bajo que combina un inductor$L$y un condensador$C$. Sin embargo, como puede imaginar, cuando el interruptor de encendido se cierra,$V_{in}$no es el valor aplicado al terminal del inductor del lado izquierdo. La fuente de entrada sufre una caída de tensión inherente al interruptor de alimentación.$r_{DS(on)}$y la pérdida óhmica del inductor$r_L$. Como resultado, el voltaje del inductor en estado activado no es$V_{in}-V_{out}$pero menos que eso, como se muestra en la imagen del lado izquierdo:

Durante el tiempo de inactividad, en el modo de conducción continua o CCM, la terminal izquierda del inductor no cae a 0 V, sino a la caída hacia adelante del diodo, lo que obliga al nodo a oscilar bajo tierra. Por lo tanto, cuando aplica la ley de equilibrio de voltios por segundo para el inductor, se da cuenta de que la fórmula de voltaje de salida total que incluye estas pérdidas difiere de la simple en CCM,$V_{out}=DV_{in}$. Podría complicar aún más la expresión al incluir el tiempo de recuperación del diodo y las pérdidas de encendido y apagado del interruptor.

En términos prácticos, como dijo, un convertidor reductor operado por CCM con 0 parásitos y operado a un voltaje de entrada constante no necesitaría un bucle para mantener su punto de operación de salida. Sin embargo, como puede ver, varios elementos parásitos afectan la función de transferencia de CC y un lazo de control necesita corregir el voltaje de control forzando el voltaje de salida para alcanzar el objetivo. La resistencia de carga afectará la frecuencia de esquina pero muy marginalmente en realidad, involucrando$r_L$y$r_C$. El lazo está ahí para hacer que el regulador sea realmente inmune a perturbaciones externas como el voltaje de entrada y la corriente de salida (el punto de referencia es fijo). Vea la imagen de abajo:

Verá el efecto del bucle en varios parámetros:

• el voltaje de salida: obviamente desea un voltaje regulado con precisión$V_{out}$por lo que necesita ganancia en su lazo (sin ganancia, sin sistema de control) para a) reducir tanto como sea posible el error estático b) garantizar un sistema de reacción rápida ante una demanda repentina de energía c) hacer que el sistema sea robusto frente a perturbaciones externas.
• la impedancia de salida: como puede ver, la impedancia de salida se ve obstaculizada por todos los parásitos como el$r_{DS(on)}$, las pérdidas óhmicas, etc. La impedancia de salida dicta la respuesta de pequeña señal a un paso. Por lo tanto, desea que esta impedancia tenga un valor lo suficientemente bajo para asegurarse de que la caída de salida cuando cambie la corriente de carga siga siendo razonable. La ganancia del lazo trabajará para reducir la impedancia de salida por la función de sensibilidad$S=\frac{1}{1+T(s)}$en el cual$T$es la ganancia del bucle.
• lo mismo para la otra perturbación,$V_{in}$. Cuando tengas$V_{out}=DV_{in}$puedes ver que si diferencias$V_{out}(V_{in})$con respecto a$V_{in}$tu obtienes$D$. Eso significa que cualquier cambio estático en el voltaje de entrada se propagará a la salida por$D$. No muy bueno. Nuevamente, la adición del bucle mejorará este rechazo de voltaje de entrada o la audiosusceptibilidad por parte de la función de sensibilidad.

Supone que la fuente de alimentación de modo conmutado (SMPS) utiliza modulación de ancho de pulso (PWM) para pasar un nivel de voltaje promedio y el filtro LC elimina la parte de conmutación para dejar ese voltaje promedio. Sin embargo, no es así como funcionan.

Un SMPS usa PWM para pasar energía de una fuente y almacenarla en un capacitor, de modo que el nivel de voltaje en ese capacitor esté definido por el circuito de retroalimentación.

A medida que la carga cambia y requiere más o menos energía, el SMPS cambia la rapidez con la que se transfiere esa energía para mantener ese capacitor en el voltaje objetivo. Si la carga desaparece por completo, el PWM puede detenerse.

Si su carga es fija y su suministro de entrada también es fijo, entonces ocurrirá una operación PWM de estado estable, pero eso es bastante raro. Si lo intenta sin retroalimentación, CUALQUIER diferencia en la carga o la fuente hará que el voltaje de salida se desvíe de un lado a otro con el tiempo, ya que la transferencia de energía será demasiado alta o demasiado baja.

La respuesta anterior es realmente genial. Gracias.

Entre el efecto de no idealidad del interruptor y los diodos y DCM, creo que una de las razones es la respuesta transitoria. Para tener una respuesta transitoria rápida, debe tener una frecuencia de cruce alta que haga que la respuesta sea rápida. Pero el filtro LC en realidad corta los 0dB en varios kHz. Por lo general, desea que su frecuencia de cruce sea lo más alta posible, pero no puede superar la mitad de la frecuencia de conmutación debido a la tasa de Nyquist. Por lo tanto, necesita la retroalimentación que le brinde algo de ganancia para que pueda hacer que la frecuencia de cruce sea de aproximadamente cien kHz.

Si se diseñara un conmutador de modo reductor con conmutadores síncronos en lugar de diodos, y si los conmutadores pudieran transmitir corriente en ambas direcciones, entonces la fuente transmitiría energía desde el límite de suministro al límite de carga cuando su voltaje de salida sea menos de la mitad del voltaje de entrada. voltaje, y del límite de carga al límite de suministro cuando es mayor, consiguiendo así una regulación un tanto descuidada (pero quizás útil). Si nada extrae corriente del límite de carga, entonces un sistema accionado con un 50 % de servicio se estabilizaría hacia un modo que:

1. Alimente la corriente desde la tapa de carga a la tapa de suministro durante el primer cuarto de cada ciclo, utilizando la energía almacenada en el inductor para conducir la corriente contra la diferencia de potencial.

2. Alimente la corriente desde la tapa de suministro a la tapa de carga durante el siguiente trimestre, mientras carga el inductor con energía de la diferencia de potencial.

3. Continúe suministrando corriente al límite de carga (con el suministro desconectado) durante el próximo trimestre, utilizando la energía almacenada en el inductor.

4. Extraiga corriente del límite de carga (nuevamente con el suministro desconectado) durante el último trimestre, almacenando esa energía en el inductor.

Si todos los interruptores pueden operar en ambas direcciones, el sistema sería estable en este patrón. Sin embargo, si uno o ambos interruptores solo pueden operar en una dirección, cualquier energía transferida al inductor desde la fuente tendría que transferirse a la tapa de carga o disiparse como calor en alguna parte. La cantidad de energía que recibe el inductor de la fuente en un ciclo "encendido" dependerá de la cantidad de corriente que fluía a través de él inicialmente, pero si la corriente inicial no puede ser negativa, la energía recibida en un ciclo encendido tendrá un efecto no trivial. mínimo. Si no hay ningún lugar al que pueda ir esa energía, se debe reducir el tiempo de "encendido".