Compreendendo a mudança

Anteriormente, forneci uma visão geral conceitual de alto nível da regulação de tensão no modo de comutação. Eu gostaria de seguir esse tratamento teórico com um exame completo do comportamento da corrente e da tensão usando o LTSpice para simular um conversor Buck de modo chaveado.

O circuito com o qual trabalharemos está ilustrado no esquema da Figura 1. Ele é conhecido como conversor buck ou conversor abaixador.

O conversor buck ou abaixador pode ser usado para realizar uma tarefa comum em circuitos de gerenciamento de energia: reduzir uma tensão de nível de sistema padrão, como 12 ou 28 V, para um barramento de alimentação de 5 ou 3,3 V que seja apropriado para baixa tensão. eletrônica de tensão.

Digo “ajuda” porque a topologia da Figura 1 é apenas o estágio de potência de um regulador de modo chaveado. Não é um regulador completo porque não possui feedback e, portanto, não pode travar em uma tensão de saída especificada.

Antes de mergulharmos na simulação e análise, vamos discutir alguns dos aspectos menos autoexplicativos deste esquema LTspice:

A chave liga / desliga em circuitos conversores físicos geralmente é um transistor de efeito de campo. Neste circuito simulado, estou usando uma chave controlada por tensão cujas especificações são determinadas pela instrução .model MYSW SW(...). As características de comutação são altamente favoráveis, mas não exatamente ideais:

VSWITCH produz uma onda retangular que liga e desliga a chave. Usando a instrução .param, defini vários parâmetros que me permitem controlar facilmente as características de troca de teclas. Especifico a frequência do oscilador e o ciclo de trabalho, que são os valores exigidos pelo meu cérebro para pensar intuitivamente sobre o comportamento do circuito. Eles são usados ​​para calcular o período e o tempo, que são os valores exigidos pela função PULSE do LTspice.

O capacitor de saída é essencial para a operação do conversor e é, portanto, necessário tanto em circuitos simulados quanto em circuitos físicos. Os circuitos físicos também precisam de um capacitor de entrada, que serve ao propósito crítico de reduzir a impedância da fonte e, assim, permitir que o conversor extraia de maneira mais suave rajadas intensas de corrente da fonte de entrada. Como a fonte de entrada em minha implementação SPICE tem impedância em série zero, nenhum capacitor de entrada é necessário.

Os valores de indutância (100 μH) e capacitância (1 μF) mostrados na Figura 1 são pontos de partida razoáveis ​​que calculei usando equações encontradas nesta nota do aplicativo TI. Exploraremos os efeitos dos valores dos capacitores e indutores em um artigo futuro.

Vamos começar executando uma simulação com ciclo de trabalho de 50% e resistência de carga de 1 kΩ. A Figura 2 é um gráfico da tensão de saída ao longo do tempo. Observe que a tensão de saída precisa de algum tempo para atingir seu valor de estado estacionário.

Os conversores de modo chaveado, incluindo os comutadores baseados em capacitores que chamamos de bombas de carga, têm um atraso de inicialização correspondente à quantidade de tempo necessária para carregar o capacitor de saída. Isso ocorre em praticamente qualquer circuito, pois sempre há alguma capacitância em algum lugar que precisa ser carregada.

Com um comutador, porém, o tempo de inicialização pode ser consideravelmente mais longo porque a corrente de carga é limitada pela ação de comutação e porque a quantidade de capacitância a ser carregada é relativamente grande.

Conforme ilustrado na Figura 2, com uma tensão de entrada de 12 V, a tensão de saída em estado estacionário é de cerca de 10,5 V. O ciclo de trabalho é de 50%, então por que a tensão de saída é muito superior a 50% da tensão de entrada?

Se você leu o artigo anterior, viu o diagrama (repetido aqui na Figura 3) no qual a magnitude de uma tensão filtrada corresponde diretamente ao ciclo de trabalho de uma forma de onda PWM.

No entanto, este diagrama descreve apenas o efeito da filtragem de uma forma de onda PWM. enquanto em um conversor de modo chaveado, o ciclo de trabalho PWM é apenas um dos vários fatores que influenciam a relação VIN para VOUT. Posso deixar o ciclo de trabalho em 50% e alterar significativamente a tensão de saída modificando o valor do indutor, a quantidade de resistência de carga ou a frequência de chaveamento.