¿Qué pasa con las fuentes de alimentación de conmutación de frecuencia variable?

Tal vez esta pregunta sea demasiado amplia para el sitio: sin embargo, después de buscar en Google, buscar literatura y preguntarle a un amigo que es especialista en el diseño de SMPS sin obtener ninguna respuesta útil, decidí preguntarlo aquí, disculpándome de antemano si es "fuera de tema".

Pregunta : ¿existen topologías de fuente de alimentación conmutada que no se basen en el paradigma PWM estándar pero que funcionen, por ejemplo, produciendo una oscilación sinusoidal de frecuencia variable, controlada por voltaje? Y en caso de que la respuesta sea sí, ¿cuáles son sus estructuras más utilizadas?

Un poco de fondo

  • Me interesé en el tema después de ver la línea de tiempo de la conversión de potencia de conmutación tal como figura en la wikipedia: abarca al menos 50 años, por lo que parece plausible que se hayan desarrollado muchas ideas diferentes. Entonces, ¿por qué centrarse en diseñar moduladores/demoduladores PWM de frecuencia fija?
  • En manuales generales y notas de aplicación y sobre fuentes de alimentación conmutadas, ocasionalmente se dice que "la frecuencia se mantiene fija para mejorar el cumplimiento de EMC". Sin embargo, parece más que se trata de una tendencia de diseño y no de un requisito de diseño impuesto por una limitación física profunda, como se ve por ejemplo en [1], entonces, ¿por qué elegir siempre la forma de diseño PWM?

Referencias

[1] Mikko Kuisma, " Conmutación de frecuencia variable en el control EMI de la fuente de alimentación: una descripción general " Enero de 2004 Revista de sistemas electrónicos y aeroespaciales del IEEE 18(12):18 - 22, DOI: 10.1109/MAES.2003.1259021.

Busque el control de histéresis. El problema con la frecuencia variable es que es mucho más difícil filtrar la ondulación de salida.
Relacionado es el control constante a tiempo.
Muchas gracias @user110971: ¿entonces posiblemente sea una cuestión de filtrado de ondulación de salida? Parece algo que podría mejorarse aumentando la frecuencia, ¿o me estoy perdiendo algo más sutil?
@DanieleTampieri con frecuencia variable puede tener conmutación de baja y alta frecuencia. La frecuencia también depende de los transitorios. Entonces depende de cuál sea la carga. Las cargas digitales tienden a consumir corriente en el borde del reloj, mientras que las cargas analógicas consumen corriente continua la mayor parte del tiempo. Por lo tanto, no está seguro de en qué parte de la curva de filtro va a terminar. Aunque tienen sus usos. El control bang-bang tiene tiempos de establecimiento más rápidos y puede tener una ondulación más baja, si sabe cuál es la carga. Sin embargo, dado que la mayoría de las SMPS se venden como unidades separadas, esto no se aplica en general.
También vale la pena analizar las topologías autooscilantes.
Absolutamente hay tal cosa. Se llama modulación de frecuencia de pulso PFM. techweb.rohm.com/knowledge/dcdc/dcdc_sr/dcdc_sr01/897
Echa un vistazo a casi cualquier cosa de Vicor ( vicr.com ). Tienen tres generaciones de ladrillos DC/DC, y cada uno es más extraño que el anterior. Conmutación de voltaje cero, cuasi-resonante, constante en el tiempo, etc. Si es denso y extraño, es Vicor.
Hay muchas estrategias diferentes. Y muchos de los controladores PWM de frecuencia fija pueden hacer la transición a un modo diferente bajo ciertas condiciones (como carga muy liviana, etc.).
Cuando cambia la entrada o la salida, el convertidor autooscilante ajusta su frecuencia para satisfacer la necesidad. Un ejemplo muy simple es el Joule Thief , que es muy simple de construir y tiene un inductor de potencia, un inductor de sentido, un transistor, una resistencia, un LED y una celda (1.5v). Si reemplaza la resistencia con un potenciómetro y la celda con una fuente de alimentación ajustable, puede ver el cambio de frecuencia a medida que gira la olla.
Como inductor acoplado, puede usar un estrangulador de modo común toroidal grande con la conexión en diagonal. Estos pueden oscilar hasta alrededor de medio voltio, que es de donde proviene el nombre, robando "julios" de energía de las baterías "muertas" (una celda se considera muerta a 0,8 voltios estándar de la industria).

Respuestas (2)

Para regular a un cierto voltaje con conmutación DC-DC, generalmente varía el ciclo de trabajo de la forma de onda del controlador. Hay varias técnicas para hacerlo, incluidos estos dos métodos bien conocidos:

  • frecuencia fija, ciclo de trabajo variable (PWM)
  • horario fijo, horario inactivo variable (a veces llamado COT, horario constante)

En realidad, los reguladores pueden usar más de un método dependiendo de la condición de carga. Y entre cada tipo, existen ventajas y desventajas para la ondulación frente a la eficiencia frente a la respuesta transitoria.

También hay detalles más finos sobre el tipo de lazo de control (p. ej., modo de corriente, modo de voltaje, etc.) que influye en la elección del regulador.

Últimamente, tiendo a usar COT para suministros de alta corriente con transitorios rápidos, ya que mantener el voltaje por encima de un mínimo es más importante que la precisión (suministro de núcleo lógico).

Para suministros más sensibles al ruido, se prefiere PWM de frecuencia fija que, si bien responde más lentamente a los transitorios, tendrá menos ondulación (o más predecible).

MÁS: (gracias a John D por el comentario) Hay una topología más nueva y más eficiente que, de hecho, usa frecuencia: resonancia LLC. A grandes rasgos, este tipo agrega un circuito LC sintonizado en línea con el interruptor. La potencia entregada a la carga se ajusta variando la frecuencia PWM por encima o por debajo del punto de resonancia LC para crear un bucle regulador.

Los suministros de resonancia LLC son más complejos que PWM pero tienen la ventaja de menores pérdidas de conmutación. Más aquí: https://www.electronicdesign.com/power-management/article/21805811/llc-resonant-converters-raise-the-powerefficiency-bar

También hay topologías resonantes como LLC que utilizan la curva resonante de un circuito de tanque para la regulación.
Muy inteligentes estos suministros de resonancia LLC.

¿Existen topologías de fuentes de alimentación conmutadas que no se basen en el paradigma PWM estándar?

Sí.

La modulación de densidad de pulso es una cosa, y eso es básicamente modulación de frecuencia.

Además, hay SMPSes de "espectro ensanchado", donde el reloj es intencionalmente no uniforme para propagar el ruido de conmutación en el dominio de la frecuencia en lugar de producir armónicos agudos.

Además, muchos controladores SMPS de baja potencia pueden cambiar entre un modo PWM y un modo de densidad de pulso en situaciones de carga mínima.

En manuales generales y notas de aplicación y sobre fuentes de alimentación conmutadas, ocasionalmente se dice que "la frecuencia se mantiene fija para mejorar el cumplimiento de EMC".

Entonces, si desea mantener el ruido de conmutación restringido a frecuencias discretas, se asegurará de mantener la frecuencia constante. Quiero decir, esa es la matemática de lo que es "espectro".

Sin embargo, si una fuerte periodicidad interfiere con su aplicación (y lo hace a menudo), entonces querrá evitar eso. Es por eso que existen cosas como el bus PCIe con la opción de reloj de espectro ensanchado y los SMPS de espectro ensanchado antes mencionados.

Entonces, esa declaración debe tomarse con un grano de "... dependiendo de lo que considere que es un mal ruido para su aplicación".

Sin embargo, parece más que se trata de una tendencia de diseño y no de un requisito de diseño impuesto por una profunda limitación física,

¿Qué? Eso no tiene sentido. La matemática es bastante clara: haces algo periódicamente, obtienes esa periodicidad como componente en tu espectro. Eso no es una "tendencia". Esa es la matemática y la física subyacentes en su forma más pura.

¿Qué pasa con las fuentes de alimentación de conmutación de frecuencia variable?
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