¿Desventajas del control de histéresis?

¿Es importante la frecuencia variable? Imagina que estás diseñando un EKG Máquina para probar los corazones de los pacientes. Aquellos funcionan midiendo pequeños pulsos eléctricos generados por el cuerpo. Ahora imagine que la fuente de alimentación tenía una tapa de filtrado, diseñada para bloquear el 99.99% del zumbido de la red eléctrica de 120Hz. La ESR de un capacitor varía fundamentalmente con la frecuencia, por lo que si bien esta tapa puede funcionar muy bien para bloquear el zumbido de 120 Hz, puede hacer poco para bloquear los 80 kHz. Por lo tanto, al utilizar un suministro histerético, con una frecuencia que cambia ampliamente, podría cambiar a 80 kHz, y dar como resultado una "ráfaga" de potencia que va más allá del límite de filtrado. El resultado final es un "blip" en la pantalla donde no debería haber uno. Esta es la razón por la que se utiliza el modo PWM de voltaje: la frecuencia de conmutación es precisa y conocida, por lo que los pulsos a esa frecuencia pueden bloquearse.

¿Por qué es importante la sincronización para un convertidor? Para un solo convertidor, no hay nada para sincronizarlo con ... a menos que esté controlado por cualquier tipo de dispositivo controlado por reloj, como una CPU o microcontrolador. Pero para múltiples convertidores, la sincronización es a menudo necesaria. Considere el módulo de regulación de voltaje y CPU (VRM) de una placa base de PC moderna. La placa base se suministra 3.3v a 40A, pero la CPU necesita 1.2v a 90A. Así que el VRM pasa de 3.3v a 1.2v. Pero ningún dispositivo puede cambiar 100A, por lo que, de tres a seis, los dispositivos "se turnan" para evitar esto. Ahora, si todos trabajaran simultáneamente, la salida sería muy ruidosa, ya que todos se encienden y apagan al mismo tiempo. En su lugar, se cambian en secuencia o fase, lo que reduce considerablemente el ruido. Para cambiar esto en fase, requiere que estén sincronizados.

¿Por qué se requiere una ESR alta para que funcione el control histerético? Mi idea inicial fue que, si existía una ESR cero, la tensión de salida reflejaría la histéresis del comparador como mínimo. es decir, toneladas de rizado en la frecuencia de quién sabe qué (también depende del valor de la capacitancia). Incluya un inductor de potencia allí, y este rizado podría tender a oscilar o al menos degradar la estabilización. Tal vez lo simularé en LTSpice y veré qué hace eso.

¿Es indeseable el control de histéresis? No lo diría. Poco común o minimalista quizás. PWM ha existido durante mucho tiempo y funciona de manera confiable, pero es más complejo y costoso. La histerética es menos costosa, pero la variante de frecuencia. Creo que es un gran tema!

Aquí hay un enlace informativo sobre cómo agregar histéresis a los comparadores.

EDIT : Aquí están los resultados de la simulación de LTspice y el contenido del archivo .asc. El LT1011 Comparator se usó simplemente porque es un componente predeterminado del paquete de simulación. Ahora hay muchos aspectos de este diseño que son indeseables y propensos a comportamientos espurios, por lo que se presenta solo con fines informativos. Haga clic para abrir a tamaño completo.

Esteresultadodelasimulacióndependeengranmedidadeloscomponentesparásitosdelcircuitoy,comoningúnsimuladorincluyetodoslosparásitos,dudoquefuncionefísicamenteconlafuerzaquesemuestra.LascompuertasMOSFETsoncapacitivas,yelcomparadorlasestáimpulsandodirectamente;esdudosoquecambientanrápidoylimpiamentecomolosimula.Inclusopodríaoscilarviolentamente,nosehaprobado.Peroenestaconfiguración,lasalidaesnotablementeestableparacargasde1mA,100mA,1,2,3Aconbuenarespuestatransitoria.Laondulacióndesalida(despuésdelfiltrado)esmenorque+/-5mVentodosloscasos.Sinembargo,elfiltrodesalidaintroduceunpicode3.5vbastantedesagradablealdescargarlacarga3A.

Sifueraaprobarestoylousarapara,porejemplo,unmicrocontrolador,probablementeconfiguraríavrefa3.8vomásyusaríaun LDO después del regulador para garantizar que no haya picos. Tenga en cuenta que con algunos otros comparadores probados, el rebasamiento en la puesta en marcha también fue un problema real, ya que vout llegó a 4.5v durante unos pocos milisegundos.

Claro, el exceso de inicio podría suprimirse, y la salida se cerró con un circuito crowbar . ... pero para toda esta complejidad agregada, ¿por qué no usar una unidad PWM? En cualquier caso, feliz experimentando.

Version 4
SHEET 1 2328 692
WIRE 432 0 384 0
WIRE 544 0 496 0
WIRE 80 16 80 0
WIRE 384 64 384 0
WIRE 384 64 272 64
WIRE 416 64 384 64
WIRE 544 64 544 0
WIRE 544 64 512 64
WIRE 592 64 544 64
WIRE 752 64 592 64
WIRE 1024 64 832 64
WIRE 1120 64 1024 64
WIRE 80 112 80 96
WIRE 800 144 768 144
WIRE 896 144 880 144
WIRE 1120 144 1120 64
WIRE 80 256 80 240
WIRE 880 272 880 240
WIRE 880 272 864 272
WIRE 432 288 432 112
WIRE 672 288 432 288
WIRE 768 288 768 144
WIRE 768 288 672 288
WIRE 784 288 768 288
WIRE 896 304 896 144
WIRE 896 304 864 304
WIRE 912 304 896 304
WIRE 1024 304 1024 64
WIRE 1024 304 992 304
WIRE 1120 304 1120 224
WIRE 1200 304 1120 304
WIRE 1328 304 1200 304
WIRE 592 320 592 64
WIRE 656 320 592 320
WIRE 592 336 592 320
WIRE 1328 336 1328 304
WIRE 80 352 80 336
WIRE 272 352 272 64
WIRE 656 352 656 320
WIRE 896 352 896 304
WIRE 1024 352 1024 304
WIRE 1200 352 1200 304
WIRE 832 400 832 336
WIRE 848 400 848 336
WIRE 848 400 832 400
WIRE 432 416 432 288
WIRE 544 416 432 416
WIRE 592 448 592 432
WIRE 656 448 656 416
WIRE 656 448 592 448
WIRE 272 464 272 416
WIRE 592 464 592 448
WIRE 832 464 832 400
WIRE 896 464 896 432
WIRE 1024 464 1024 416
WIRE 1200 464 1200 416
WIRE 1328 464 1328 416
WIRE 80 512 80 496
WIRE 80 608 80 592
FLAG 832 240 Vcc
FLAG 832 464 0
FLAG 1024 464 0
FLAG 1120 64 Vout
FLAG 672 288 Vsw
FLAG 80 352 0
FLAG 80 240 Vcc
FLAG 592 464 0
FLAG 272 64 Vcc
FLAG 272 464 0
FLAG 80 112 0
FLAG 80 0 Vref
FLAG 880 240 Vref
FLAG 896 464 0
FLAG 80 608 0
FLAG 80 496 V3
FLAG 1328 304 VoutF
FLAG 1328 464 0
FLAG 1200 464 0
SYMBOL res 1008 288 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R1
SYMATTR Value {Ra}
SYMBOL res 880 336 R0
SYMATTR InstName R2
SYMATTR Value {Rb}
SYMBOL res 896 128 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R3
SYMATTR Value {Rc}
SYMBOL cap 1008 352 R0
WINDOW 39 17 161 Left 2
SYMATTR SpiceLine V=35 Irms=5 Rser=200m Lser=1n Rpar=1MEG Cpar=1p
SYMATTR InstName C2
SYMATTR Value 220µ
SYMBOL res 1312 320 R0
SYMATTR InstName Rload
SYMATTR Value R=V(V3)
SYMBOL ind2 848 80 M270
WINDOW 0 32 56 VTop 2
WINDOW 3 4 56 VBottom 2
SYMATTR InstName L1
SYMATTR Value 25µ
SYMATTR Type ind
SYMATTR SpiceLine Ipk=10 Rser=0.015 Rpar=37000 Cpar=7.41p mfg="Gowanda" pn="894AT2502V"
SYMBOL voltage 80 240 R0
WINDOW 123 0 0 Left 2
WINDOW 39 24 124 Left 2
SYMATTR SpiceLine Rser=0.1
SYMATTR InstName V2
SYMATTR Value {Vcc}
SYMBOL nmos 544 336 R0
WINDOW 0 -35 60 Left 2
WINDOW 3 -117 101 Left 2
SYMATTR InstName M2
SYMATTR Value BSC360N15NS3
SYMBOL pmos 512 112 M270
WINDOW 0 -14 68 VLeft 2
WINDOW 3 -40 66 VLeft 2
SYMATTR InstName M1
SYMATTR Value Si7113DN
SYMBOL cap 256 352 R0
WINDOW 39 -9 161 Left 2
SYMATTR InstName C1
SYMATTR Value 4700µ
SYMATTR SpiceLine V=35 Irms=10 Rser=5m Lser=1n Rpar=1MEG Cpar=1p
SYMBOL voltage 80 0 R0
WINDOW 123 0 0 Left 2
WINDOW 39 24 124 Left 2
SYMATTR InstName V1
SYMATTR Value {Vref}
SYMBOL voltage 80 496 R0
WINDOW 123 0 0 Left 2
WINDOW 39 0 0 Left 2
SYMATTR InstName V3
SYMATTR Value PWL(0 3.3k 3.99m 3.3k 4m 33 7.99m 33 8m 3.3 11.99m 3.3 12m 1.66 15.99m 1.66 16m 1.1 19.99m 1.1 20m 3.3k)
SYMBOL diode 640 416 M180
WINDOW 0 24 64 Left 2
WINDOW 3 24 0 Left 2
SYMATTR InstName D1
SYMATTR Value RF101L4S
SYMBOL diode 496 16 M270
WINDOW 0 32 32 VTop 2
WINDOW 3 0 32 VBottom 2
SYMATTR InstName D2
SYMATTR Value RF101L4S
SYMBOL cap 1184 352 R0
WINDOW 39 4 209 Left 2
SYMATTR InstName C3
SYMATTR Value 2200µ
SYMATTR SpiceLine V=6 Irms=10 Rser=5m Lser=1n Rpar=1MEG Cpar=1p
SYMBOL ind2 1104 240 M180
WINDOW 0 36 80 Left 2
WINDOW 3 36 40 Left 2
SYMATTR InstName L2
SYMATTR Value 91n
SYMATTR Type ind
SYMATTR SpiceLine Ipk=14.5 Rser=0.0028 Rpar=338 Cpar=1.83p mfg="Wurth Elektronik" pn="7448510091 WE-DCT SH"
SYMBOL Comparators\LT1011 832 288 M0
SYMATTR InstName U1
TEXT 984 512 Left 2 ;C2:
TEXT 208 512 Left 2 ;C1:
TEXT 1304 224 Left 2 !.tran 24m startup uic
TEXT 1216 -8 Left 2 !.params Vhb = 25mV  Vth = 3.30v  IR3 = 500uA\n.params Vcc = 5.00v  Vref = 3.30v\n.params Rc=min(Vref/IR3,(Vcc-Vref)/IR3)\n.params Ra=Rc*(Vhb/Vcc)\n.params Rb=1/((Vth/(Vref*Ra))-(1/Ra)-(1/Rc))
TEXT 640 -48 Left 2 ;5v to 3.3v buck converter - rough\nhysteretic control simulation
TEXT 1144 560 Left 2 ;C3:
TEXT 1456 312 Left 2 ;= 3.3k to 4ms (1mA)\n   33 to 8ms (100mA)\n   3.3 to 12ms (1A)\n   1.66 to 16ms (2A)\n   1.10 to 20ms (3A)\n   3.3k to 24ms (1mA)

La frecuencia variable puede ser un gran problema. Una de las razones es que, con poca carga, la frecuencia puede caer en el rango de audio y causar un ruido audible. Otra es que la frecuencia puede atravesar alguna banda sensible e interferir con otros circuitos. Si no puede predecir la frecuencia, puede tener dificultades para filtrarla de manera efectiva.

La sincronización puede ser importante por razones similares. Si desea asegurarse de que todos los convertidores cambien a la misma frecuencia para evitar el ruido o tal vez tome una muestra A / D cuando sepa que hay un tiempo entre eventos de cambio.

Si ninguna de esas cosas te preocupa, entonces probablemente estés bien.

La tapa de salida ESR proporciona un efecto de estabilización en el bucle, puede ver los cálculos en el siguiente documento IEEE:

Efecto del condensador de salida ESR en la dinámica Rendimiento del modo histerético de tensión. convertidor de dinero controlado ANTES DE CRISTO. Bao, J. Yang, J.P. Xu, X. Zhang y G.H. Zhou

Los esquemas de frecuencia variable generalmente facilitan la implementación de ideas para reducir o eliminar las pérdidas de conmutación y la recuperación de diodos. Esto hace que la PSU sea menos ruidosa en primer lugar. No tiene que basar su interruptor en voltios de salida, por lo que puede y debe usar un límite de ESR bajo en la salida para obtener una ondulación baja. Los sistemas auto oscilantes tienen una frecuencia operativa que depende de los voltios de entrada y la carga de salida SO, si estos parámetros son razonablemente bien conocidos, entonces la frecuencia operativa estará bien delimitada.