Warum verwenden wir Rückkopplungsregelung in Tiefsetzstellern?

Mein Professor für Leistungselektronik verbrachte den größten Teil seines Lebens im Zeitbereich und in der anwendungsspezifischen Theorie (nur SMPS-Vokabular).

Für mich ist ein Tiefsetzsteller im Grunde eine Rechteckwelle (die von einem Schalter erzeugt wird), die durch ein LC-Filter geleitet wird.

Die Grundfrequenz der Rechteckwelle und ihre Harmonischen werden herausgefiltert, und alles, was übrig bleibt, ist die Gleichstromkomponente. Ich verstehe , dass Closed-Loop - Feedback notwendig ist , wenn die V _in Änderungen - weil Sie benötigen , um Ihren Arbeitszyklus , da Ihre Rechteckwelle der Amplitude zu erhöhen oder zu verringern (ergo DC - Komponente) geändert hat. Ist es das?

Ich verstehe auch, dass die Lastimpedanz die Eckfrequenz des Filters beeinflussen kann. Brauchen wir deshalb Feedback mit geschlossenem Regelkreis? Wie wird dieses Problem gemildert?

Welche anderen Komponenten des (angeblich) DC-Signals eliminiert der Regelkreis? Welligkeit? (Ist das nicht nur eine Frage der Filterqualität?)

Die Hauptsache, die Sie vermissen, ist, dass das, was in den LC-Filter eingegeben wird, nicht unbedingt immer eine Rechteckwelle ist. Dies ist der Fall, wenn sich der Tiefsetzsteller im kontinuierlichen Modus befindet. Wenn Sie jedoch nicht wissen, dass dies immer der Fall ist, können Sie den Rechteckwelleneingang des Filters nicht so annehmen, wie Sie sind.

Im kontinuierlichen Modus ist die Ausgangsspannung idealerweise die Eingangsspannung multipliziert mit dem Arbeitszyklus. In der realen Welt ist dies jedoch nicht so einfach. Selbst wenn die Eingangsspannung konstant bleibt, ist der Gleichstromwiderstand des Induktors zu berücksichtigen, die Spannung über dem Schalter und die Spannung über der Diode von Masse während der Impuls-Niedrigzeit.

Letzteres kann durch synchrone Gleichrichtung gemildert werden, aber das ist auch nicht perfekt. Zumindest gibt es den Spannungsabfall über dem, was als Synchrongleichrichterschalter verwendet wird. Das Timing der synchronen Gleichrichtung wird normalerweise auch konservativ gemacht, was bedeutet, dass es eher zu kurz als zu lang bleibt. Die Kosten für ein etwas frühes Ausschalten sind ein höherer Spannungsabfall am Ende des Rücklaufteils des Impulses. Die Kosten für ein zu spätes Einschalten fallen jedoch durch das Durchschießen an, wodurch die Effizienz schnell abnimmt und die Gefahr besteht, dass Teile beschädigt werden.

Ich habe Vorregulierungsnetzteile gesehen, bei denen es sich um Buck-Switches mit festem Arbeitszyklus handelte. In einem Fall wurde es verwendet, um eine 48-V-Verteilungsspannung auf ungefähr 12 V abzusenken, die lokal verteilt und von anderen Stromversorgungen auf die endgültigen geregelten Spannungen abgesenkt wurde. Es war egal, ob die 12 V etwas variierten.

Ein Allzwecknetzteil muss auch für niedrige Lasten ausgelegt sein. Unter einer gewissen Last für eine Schaltfrequenz kann ein Buck Switcher den kontinuierlichen Modus nicht aufrechterhalten. Einige OEM-Lieferungen geben lediglich an, dass eine Mindestlast erforderlich ist.

Allgemeinere Verbrauchsmaterialien fallen in den diskontinuierlichen Modus zurück. In diesem Fall schlägt Ihre Annahme einer festen Rechteckwelle fehl. Jetzt gibt es wirklich 3 Teile zum Zyklus. Zu Beginn wird der Eingang zum LC-Filter aktiv hoch angesteuert. Wenn dies stoppt, beginnt der Flyback-Teil, der den Eingang aktiv niedrig treibt. Dann gibt es die dritte Phase im diskontinuierlichen Modus, in der Sie den Eingang als effektiv hochohmig betrachten. Die Funktion des Arbeitszyklus zur Ausgangsspannung ist nicht mehr linear.

Ein Tiefsetzsteller kann tatsächlich als ein niederohmiger Rechteckwellengenerator dargestellt werden, der ein Tiefpassfilter speist, das eine Induktivität kombiniert $L$ und einen Kondensator $C$. Wie Sie sich jedoch vorstellen können, wenn der Netzschalter schließt,$V_{in}$ist nicht der Wert, der an den linken Induktoranschluss angelegt wird. Die Eingangsquelle erfährt einen Spannungsabfall, der dem Netzschalter eigen ist$r_{DS(on)}$ und der ohmsche Verlust des Induktors $r_L$. Infolgedessen ist die Einschaltinduktorspannung nicht$V_{in}-V_{out}$ aber weniger als das, wie im linken Bild gezeigt:

Während der Ausschaltzeit, im Dauerleitungsmodus oder CCM, fällt der linke Anschluss des Induktors nicht auf 0 V ab, sondern auf den Diodenvorwärtsabfall, der den Knoten zwingt, unter der Erde zu schwingen. Wenn Sie also das Volt-Sekunden-Ausgleichsgesetz für die Induktivität anwenden, stellen Sie fest, dass sich die vollständige Ausgangsspannungsformel einschließlich dieser Verluste von der einfachen in CCM unterscheidet.$V_{out}=DV_{in}$. Sie könnten den Ausdruck weiter verkomplizieren, indem Sie die Diodenwiederherstellungszeit und die Ein- und Ausschaltverluste des Schalters einbeziehen.

Wie Sie bereits sagten, würde ein CCM-betriebener Abwärtswandler mit 0 Parasiten und Betrieb bei einer konstanten Eingangsspannung praktisch keine Schleife benötigen, um seinen Ausgangsbetriebspunkt aufrechtzuerhalten. Wie Sie jedoch sehen können, beeinflussen mehrere parasitäre Elemente die Gleichstromübertragungsfunktion, und ein Regelkreis muss die Steuerspannung korrigieren, wodurch die Ausgangsspannung gezwungen wird, das Ziel zu erreichen. Der Lastwiderstand beeinflusst die Eckfrequenz, jedoch nur sehr geringfügig$r_L$ und $r_C$. Die Schleife dient dazu, den Regler (der Sollwert ist fest) wirklich unempfindlich gegen externe Störungen wie Eingangsspannung und Ausgangsstrom zu machen. Siehe das folgende Bild:

Sie sehen die Auswirkung der Schleife auf mehrere Parameter:

• die Ausgangsspannung: offensichtlich wollen Sie eine präzise geregelte $V_{out}$ Sie benötigen also eine Verstärkung in Ihrer Schleife (keine Verstärkung, kein Steuersystem), um a) den statischen Fehler so weit wie möglich zu reduzieren, b) ein schnell reagierendes System auf einen plötzlichen Strombedarf sicherzustellen, c) das System gegenüber externen Störungen robust zu machen.
• die Ausgangsimpedanz: Wie Sie sehen können, wird die Ausgangsimpedanz durch alle Parasiten wie die $r_{DS(on)}$, die ohmschen Verluste usw. Die Kleinsignalantwort auf einen Schritt wird durch die Ausgangsimpedanz bestimmt. Sie möchten daher, dass diese Impedanz einen ausreichend niedrigen Wert aufweist, um sicherzustellen, dass der Ausgang abfällt, wenn sich der Laststrom ändert. Die Verstärkung der Schleife verringert die Ausgangsimpedanz durch die Empfindlichkeitsfunktion$S=\frac{1}{1+T(s)}$ in welchem $T$ ist die Schleifenverstärkung.
• Gleiches gilt für die andere Störung. $V_{in}$. Wenn du. .. hast$V_{out}=DV_{in}$ Sie können das sehen, wenn Sie differenzieren $V_{out}(V_{in})$ in Gedenken an $V_{in}$ Sie erhalten $D$. Dies bedeutet, dass sich jede statische Änderung der Eingangsspannung durch auf den Ausgang ausbreitet$D$. Nicht sehr gut. Wiederum verbessert das Hinzufügen der Schleife diese Eingangsspannungsunterdrückung oder Audiosuszeptibilität durch die Empfindlichkeitsfunktion.

Sie gehen davon aus, dass das Switch Mode Power Supply (SMPS) die Pulsweitenmodulation (PWM) verwendet, um einen durchschnittlichen Spannungspegel zu passieren, und der LC-Filter den Schaltteil entfernt, um diese durchschnittliche Spannung zu belassen. So funktionieren sie jedoch nicht.

Ein SMPS verwendet PWM, um Energie von einer Quelle zu leiten, um sie auf einem Kondensator zu speichern, so dass der Spannungspegel an diesem Kondensator der Definition durch die Rückkopplungsschaltung entspricht.

Wenn sich die Last ändert und mehr oder weniger Energie benötigt, ändert das SMPS, wie schnell diese Energie übertragen wird, um diesen Kondensator auf der Zielspannung zu halten. Wenn die Last vollständig wegfällt, kann die PWM tatsächlich anhalten.

Wenn Ihre Last fest ist und Ihre Eingangsversorgung ebenfalls fest ist, wird ein stationärer PWM-Betrieb stattfinden, aber das ist tatsächlich ziemlich selten. Wenn Sie es ohne Rückmeldung versuchen, führt JEDER Unterschied in Last oder Quelle dazu, dass die Ausgangsspannung im Laufe der Zeit in die eine oder andere Richtung driftet, da die Energieübertragung entweder zu hoch oder zu niedrig ist.

Die obige Antwort ist wirklich toll. Danke.

Unter den Nichtidealitätseffekten von Schaltern, Dioden und DCM ist meiner Meinung nach einer der Gründe das Einschwingverhalten. Um ein schnelles Einschwingverhalten zu erzielen, müssen Sie eine hohe Übergangsfrequenz haben, die ein schnelles Ansprechen ermöglicht. Aber der LC-Filter hat tatsächlich die 0 dB in mehreren kHz geschnitten. Normalerweise möchten Sie, dass Ihre Übergangsfrequenz so hoch wie möglich ist, aber nicht mehr als die Hälfte der Schaltfrequenz als die Nyquist-Rate. Sie benötigen also das Feedback, um eine gewisse Verstärkung zu erzielen, damit Sie die Übergangsfrequenz auf etwa hundert kHz einstellen können.

Wenn man einen Buck-Mode-Umschalter mit Synchronschaltern anstelle von Dioden konstruiert und die Schalter Strom in beide Richtungen übertragen könnten, würde die Versorgung Strom von der Versorgungskappe zur Lastkappe übertragen, wenn ihre Ausgangsspannung weniger als die Hälfte des Eingangs beträgt Spannung und von der Lastkappe zur Versorgungskappe, wenn sie größer ist, wodurch eine etwas schlampige (aber möglicherweise nützliche) Regelung erreicht wird. Wenn nichts Strom aus der Lastkappe zieht, würde sich ein System mit 50% Einschaltdauer in Richtung eines Modus stabilisieren, der:

1. Führen Sie für das erste Viertel jedes Zyklus Strom von der Lastkappe zur Versorgungskappe, wobei Sie die im Induktor gespeicherte Energie verwenden, um den Strom gegen die Potentialdifferenz anzutreiben.

2. Führen Sie im nächsten Quartal Strom von der Versorgungskappe zur Lastkappe, während Sie den Induktor mit Energie aus der Potentialdifferenz aufladen.

3. Weitere Stromzufuhr in die Lastkappe (bei nicht angeschlossener Versorgung) im nächsten Quartal unter Verwendung der im Induktor gespeicherten Energie.

4. Ziehen Sie während des letzten Quartals Strom aus der Lastkappe (wieder bei nicht angeschlossener Versorgung) und speichern Sie diese Energie im Induktor.

Wenn die Schalter alle in beide Richtungen arbeiten können, wäre das System in diesem Muster stabil. Wenn jedoch einer oder beide Schalter nur in eine Richtung arbeiten können, müsste die von der Quelle in den Induktor übertragene Energie entweder auf die Lastkappe übertragen oder irgendwo als Wärme abgeführt werden. Die Energiemenge, die der Induktor in einem "Ein" -Zyklus von der Quelle erhält, hängt davon ab, wie viel Strom ursprünglich durch ihn floss. Wenn der Anfangsstrom jedoch nicht negativ sein kann, ist die in einem Ein-Zyklus empfangene Energie nicht trivial Minimum. Wenn diese Energie nirgendwo hingehen kann, muss die Einschaltzeit verkürzt werden.