Entendiendo el interruptor

Anteriormente proporcioné una descripción general conceptual de alto nivel de la regulación de voltaje en modo conmutado. Me gustaría seguir ese tratamiento teórico con un examen exhaustivo del comportamiento de la corriente y el voltaje utilizando LTSpice para simular un convertidor reductor de modo conmutado.

El circuito con el que trabajaremos se ilustra en el esquema de la Figura 1. Esto se conoce como convertidor reductor o reductor.

El convertidor reductor o reductor se puede utilizar para realizar una tarea común en los circuitos de administración de energía: reducir un voltaje de nivel de sistema estándar, como 12 o 28 V, a un riel de suministro de 5 o 3,3 V que sea apropiado para voltajes bajos. Electrónica de voltaje.

Digo "ayuda" porque la topología de la Figura 1 es solo la etapa de potencia de un regulador de modo conmutado. No es un regulador completo porque carece de retroalimentación y, por lo tanto, no puede bloquearse en un voltaje de salida específico.

Antes de sumergirnos en la simulación y el análisis, analicemos algunos de los aspectos menos explicativos de este esquema de LTspice:

El interruptor de alimentación en los circuitos convertidores físicos suele ser un transistor de efecto de campo. En este circuito simulado, estoy usando un interruptor controlado por voltaje cuyas especificaciones están determinadas por la declaración .model MYSW SW(...). Las características de conmutación son muy favorables pero no del todo ideales:

VSWITCH produce una onda rectangular que enciende y apaga el interruptor. Usando la declaración .param, definí varios parámetros que me permiten controlar fácilmente las características de cambio de claves. Especifico la frecuencia del oscilador y el ciclo de trabajo, que son los valores que requiere mi cerebro para pensar intuitivamente sobre el comportamiento del circuito. Estos se utilizan para calcular el período y el tiempo, que son los valores requeridos por la función PULSE de LTspice.

El condensador de salida es parte integral del funcionamiento del convertidor y, por lo tanto, es necesario tanto en circuitos físicos como simulados. Los circuitos físicos también necesitan un condensador de entrada, que cumple el propósito crítico de reducir la impedancia de la fuente y, por lo tanto, permite que el convertidor extraiga intensas ráfagas de corriente del suministro de entrada con mayor suavidad. Dado que el suministro de entrada en mi implementación SPICE tiene impedancia en serie cero, no se necesita ningún condensador de entrada.

Los valores de inductancia (100 μH) y capacitancia (1 μF) que se muestran en la Figura 1 son puntos de partida razonables que calculé usando las ecuaciones que se encuentran en esta nota de aplicación de TI. Exploraremos los efectos de los valores de condensadores e inductores en un artículo futuro.

Comencemos ejecutando una simulación con un ciclo de trabajo del 50 % y una resistencia de carga de 1 kΩ. La Figura 2 es un gráfico del voltaje de salida a lo largo del tiempo. Tenga en cuenta que el voltaje de salida necesita algo de tiempo para alcanzar su valor de estado estable.

Los convertidores de modo conmutado, incluidos los conmutadores basados ​​en condensadores que llamamos bombas de carga, tienen un retraso de arranque correspondiente a la cantidad de tiempo necesario para cargar el condensador de salida. Esto ocurre en prácticamente cualquier circuito, ya que siempre hay algo de capacitancia en algún lugar que debe cargarse.

Sin embargo, con un conmutador, el tiempo de arranque puede ser considerablemente más largo porque la corriente de carga está limitada por la acción de conmutación y porque la cantidad de capacitancia a cargar es relativamente grande.

Como se ilustra en la Figura 2, con un voltaje de entrada de 12 V, el voltaje de salida en estado estable es de aproximadamente 10,5 V. El ciclo de trabajo es del 50 %, entonces, ¿por qué el voltaje de salida es mucho mayor que el 50 % del voltaje de entrada?

Si leyó el artículo anterior, vio el diagrama (repetido aquí en la Figura 3) en el que la magnitud de un voltaje filtrado corresponde directamente al ciclo de trabajo de una forma de onda PWM.

Sin embargo, este diagrama representa sólo el efecto de filtrar una forma de onda PWM. mientras que en un convertidor de modo conmutado, el ciclo de trabajo PWM es solo uno de los diversos factores que influyen en la relación VIN-VOUT. Puedo dejar el ciclo de trabajo al 50% y cambiar significativamente el voltaje de salida modificando el valor del inductor, la cantidad de resistencia de carga o la frecuencia de conmutación.

Esta discusión sirve como un buen recordatorio de que el ciclo de trabajo no es un medio para generar un voltaje de salida fijo y específico. Más bien, los reguladores de modo conmutado logran un voltaje de salida estable ajustando el ciclo de trabajo como parte de un esquema de control de circuito cerrado posible gracias a la retroalimentación negativa.

Por lo tanto, no podemos simplemente establecer el ciclo de trabajo en 50% y asumir que tendremos VOUT = 6 V con VIN = 12 V. En cualquier caso, no queremos construir un regulador alrededor de un voltaje de entrada constante. Preferiríamos mucho diseñar un regulador que sea robusto contra variaciones de entrada inesperadas y que se integre fácilmente en nuevas aplicaciones que puedan tener diferentes voltajes de entrada.

Antes de concluir esta sección, quiero mencionar brevemente que PWM no es la única forma de realizar la regulación del modo de conmutación. Aunque es menos común, en algunas aplicaciones se prefiere la modulación de frecuencia de pulso (PFM) porque ofrece una mayor eficiencia en condiciones de carga ligera.

Concluiremos con el gráfico de la Figura 4 que muestra la corriente del inductor en relación con el voltaje de control del interruptor y la corriente de salida.

El gráfico del voltaje de control del interruptor transmite el estado del interruptor: está abierto cuando la señal de control del interruptor es lógica baja y cerrado cuando la señal es lógica alta. De acuerdo con el principio fundamental de la regulación del modo de conmutación, el interruptor siempre se activa o desactiva por completo, lo que significa que la corriente pasa libremente o la bloquea por completo.

Sin modificar, este tipo de corriente de encendido/apagado no puede alimentar adecuadamente los circuitos electrónicos, pero el gráfico de la corriente del inductor muestra el efecto de aceleración/desaceleración descrito en el artículo anterior. La corriente a través de un inductor no puede cambiar instantáneamente, y la topología del convertidor reductor permite que el inductor convierta la corriente de encendido/apagado en corriente de aceleración/desaceleración. Como lo indican las líneas de puntos del cursor, la corriente del inductor comienza a aumentar cuando el interruptor se enciende y comienza a disminuir cuando el interruptor se apaga.

La corriente del inductor por sí sola tendría demasiadas ondulaciones para fines de suministro de energía. Sin embargo, el inductor funciona junto con el condensador de salida, lo que proporciona suficiente filtrado para permitir la corriente de carga constante y de baja ondulación que se ve en el gráfico. Tenga en cuenta que la corriente de carga es el valor promedio de la corriente del inductor.

El convertidor reductor se usa comúnmente en sistemas de administración de energía para generar los voltajes de CC más bajos que se usan en la electrónica moderna. Hemos examinado algunos aspectos clave del funcionamiento del convertidor de voltaje CC en modo conmutado utilizando LTspice.

Con suerte, comprender el funcionamiento básico de este esquema simplificado le ayudará en sus esfuerzos de diseño de circuito. En el próximo artículo, analizaremos cuidadosamente el comportamiento de la corriente y el voltaje durante el estado de encendido y el estado de apagado.