¿Por qué utilizamos la retroalimentación de bucle cerrado en los convertidores Buck?

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

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

Este último puede mitigarse mediante la rectificación síncrona, pero eso tampoco es perfecto. Como mínimo, existe una caída de voltaje en todo lo que se utiliza como interruptor rectificador síncrono. El tiempo de rectificación sincrónica también suele ser conservador, lo que significa que se equivoca al permanecer demasiado corto en lugar de demasiado largo. El costo de apagarse un poco antes es más caída de voltaje al final de la parte de retorno del pulso. Sin embargo, el costo de encender demasiado tarde es disparar, lo que disminuye rápidamente la eficiencia y puede dañar las piezas.

He visto fuentes de alimentación de prerregulación que eran conmutadores de ciclo de servicio 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 regulados finales por otras fuentes de alimentación. No importaba si el 12 V variaba un poco.

También se debe diseñar una fuente de alimentación de propósito general para manejar cargas bajas. Por debajo de cierta carga para cualquier frecuencia de conmutación, un conmutador 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 del ciclo. Al inicio, la entrada al filtro LC se activa de forma alta. Cuando eso se detiene, comienza la parte de retorno, lo que hace que la entrada sea baja. Luego está la tercera fase en modo discontinuo, en la que considera que la entrada es efectivamente de alta impedancia. La función del ciclo de trabajo a la tensión 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 alimentación se cierra, \ $ V_ {in} \ $ no es el valor aplicado al terminal inductor del lado izquierdo. La fuente de entrada sufre una caída de voltaje inherente al interruptor de alimentación \ $ r_ {DS (encendido)} \ $ y la pérdida óhmica del inductor \ $ r_L \ $. Como resultado, el voltaje del inductor de estado no es \ $ V_ {in} -V_ {out} \ $ pero es menos que eso, como se muestra en la imagen del lado izquierdo:

Duranteeltiempodeapagado,enmododeconduccióncontinuaoCCM,elterminalizquierdodelinductornocaea0V,sinoalacaídahaciaadelantedeldiodo,loqueobligaalnodoaoscilarpordebajodelsuelo.Porlotanto,cuandoaplicalaleydebalancedevoltiosysegundosparaelinductor,sedacuentadequelafórmuladevoltajedesalidacompletaqueincluyeestaspérdidasdifieredelasimpleenCCM,\$V_{out}=DV_{in}\$.Podríacomplicaraúnmáslaexpresiónalincluireltiempoderecuperacióndeldiodoylaspérdidasdeencendidoyapagadodelinterruptor.

Hablandoentérminosprácticos,comousteddijo,unconvertidorBuckoperadoporCCMcon0parásitosyoperadoaunvoltajedeentradaconstantenonecesitaríaunbucleparamantenersupuntodeoperacióndesalida.Sinembargo,comopuedever,varioselementosparásitosafectanlafuncióndetransferenciadeCCyelcircuitodecontrolnecesitacorregirlatensióndecontrol,loqueobligaalatensióndesalidaacumplirelobjetivo.Laresistenciadecargaafectarálafrecuenciadelaesquinaperoenrealidadmuymarginalmente,involucrando\$r_L\$y\$r_C\$.Elbucleestáahíparahacerqueelregulador(elpuntodeajusteesfijo)seainmunealasperturbacionesexternas,comoelvoltajedeentradaylacorrientedesalida.Vealaimagendeabajo:

Ves el efecto del bucle en varios parámetros:

• el voltaje de salida: obviamente desea un \ $ V_ {out} \ $ regulado con precisión, por lo que necesita ganancia en su bucle (sin ganancia, no hay sistema de control) para a) reducir tanto como sea posible el error estático b) garantizar un sistema de reacción rápida a una demanda repentina de energía c) hacer que el sistema sea robusto a las 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. Se dicta la respuesta de señal pequeña a un paso Por la impedancia de salida. Por lo tanto, desea que esta impedancia tenga un valor suficientemente bajo para asegurarse de que la caída de salida cuando los cambios de corriente de carga sean razonables. La ganancia del bucle trabajará para reducir la impedancia de salida mediante la función de sensibilidad \ $ S = \ frac {1} {1 + T (s)} \ $ en la que \ $ T \ $ es la ganancia del bucle.
• lo mismo para la otra perturbación, \ $ V_ {in} \ $. Cuando tiene \ $ V_ {out} = DV_ {in} \ $ puede ver que si diferencia \ $ V_ {out} (V_ {in}) \ $ con respecto a \ $ V_ {in} \ $ obtiene \ $ D \ $. Eso significa que cualquier cambio estático en el voltaje de entrada se propagará a la salida en \ $ D \ $. No muy bueno. Nuevamente, la adición del bucle mejorará el rechazo de voltaje de entrada o la audibilidad de la función de sensibilidad.

Está asumiendo que la fuente de alimentación en modo de conmutación (SMPS) utiliza la 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 la energía de una fuente para almacenarla en un capacitor de modo que el nivel de voltaje en ese capacitor sea el definido por el circuito de retroalimentación.

A medida que la carga cambia y requiere más o menos energía, el SMPS cambia la velocidad a la que se transfiere esa energía para mantener ese condensador a la tensión 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 en realidad es bastante raro. Si lo intenta sin retroalimentación, CUALQUIER diferencia en la carga o en la fuente causará que la tensión de salida se desvíe de una forma u otra a lo largo del 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 conmutador y los diodos y DCM, creo que una de las razones es la respuesta transitoria. Para tener una respuesta transitoria rápida, debe tener una alta frecuencia de cruce que haga que la respuesta sea rápida. Pero el filtro LC en realidad corta el 0dB en varios kHz. Por lo general, usted desea que su frecuencia de cruce sea lo más alta posible, pero que puede ser superior a la mitad de la frecuencia de conmutación, como lo es la tasa de Nyquist. Por lo tanto, necesita la retroalimentación que le dé algo de ganancia para que pueda hacer una frecuencia cruzada de unos cien kHz.

Si uno diseñara un conmutador de modo buck con conmutadores síncronos en lugar de diodos, y si los conmutadores pudieran transmitir corriente en ambas direcciones, entonces el suministro transmitirá la potencia desde la tapa de la fuente hasta la tapa de carga cuando su voltaje de salida es menor que la mitad de la tensión de entrada, y desde la tapa de carga hasta la tapa de suministro cuando es mayor, logrando así una regulación algo descuidada (pero quizás útil). Si nada extrae corriente del límite de carga, entonces un sistema impulsado con un 50% de servicio se estabilizaría hacia un modo que:

1. La corriente de alimentación desde el límite de carga al límite de suministro para el primer trimestre de cada ciclo, utiliza la energía almacenada en el inductor para impulsar la corriente contra la diferencia de potencial.

2. Alimente la corriente desde el límite de suministro hasta el límite de carga durante el próximo trimestre, mientras carga el inductor con energía de la diferencia de potencial.

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

4. Extraiga la corriente de la tapa 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 ser transferida al límite de carga o disiparse como calor en algún lugar. La cantidad de energía que recibe el inductor de la fuente en un ciclo de "encendido" dependerá de cuánta corriente fluya a través de él inicialmente, pero si la corriente inicial no puede ser negativa, la energía recibida en un ciclo de encendido tendrá un efecto no trivial. mínimo. Si no hay a dónde ir esa energía, el tiempo de "encendido" debe reducirse.