Interruttore

Perché un alimentatore a commutazione stabile oscilla ancora?

Un alimentatore a commutazione (SMPS) perfettamente stabile può comunque oscillare a causa della sua resistenza negativa in ingresso. L'SMPS si presenta come una piccola resistenza negativa del segnale all'ingresso. Insieme all'induttanza e alla capacità di ingresso, può formare un circuito di oscillazione non smorzato. Questo articolo discute l'analisi e la soluzione del problema. LTspice® viene utilizzato per le simulazioni.

La funzione di un regolatore a modalità di commutazione è convertire la tensione di ingresso in una tensione di uscita costante regolata nel modo più efficiente possibile. Ci sono alcune perdite in questo processo e l'efficienza viene misurata come

Possiamo supporre che il regolatore mantenga costante la VOUT e che la corrente di carico IOUT sia considerata una costante e non una funzione del VIN. La Figura 1 mostra il grafico IIN in funzione di VIN.

Nella Figura 2, disegniamo la tangente nel punto operativo 12 V. La pendenza della tangente sarà uguale alla piccola variazione della corrente del segnale in funzione della tensione nel punto operativo.

La pendenza della tangente può essere considerata come la resistenza di ingresso RIN o l'impedenza di ingresso RIN = ZIN (f = 0) del convertitore. Cosa succede con l'impedenza di ingresso per frequenze f > 0 lo lasceremo per una discussione successiva in questo articolo. Per ora assumiamo la sua costante anche sulla frequenza ZIN (f) = ZIN (f = 0). L'osservazione più interessante è: questa piccola resistenza di ingresso del segnale è negativa poiché la pendenza è negativa. Se la tensione in ingresso aumenta, la corrente diminuisce e viceversa.

Come punto di partenza, possiamo osservare il circuito nella Figura 3 in cui l'SMPS, insieme alla capacità di ingresso e all'induttanza di ingresso nell'alimentazione, forma un circuito LC ad alto Q smorzato da una resistenza negativa. Se la resistenza negativa domina il circuito, diventa un oscillatore che oscillerà senza smorzamento vicino alla frequenza di risonanza. In pratica, le non linearità nell'oscillazione del segnale di grandi dimensioni influenzeranno la frequenza oscillante e la sua forma d'onda.

L'induttore in questo circuito può essere l'induttanza del filtro di ingresso o l'induttanza dei cavi. Per rendere stabile il circuito sono necessarie resistenze positive che prevalgano sulla resistenza negativa per smorzare il circuito. Ciò è problematico perché non si desidera che la resistenza in serie dell'induttore sia elevata. Ciò aumenterebbe la dissipazione del calore e ridurrebbe l’efficienza. Né si vuole che la resistenza in serie del condensatore sia elevata perché l'ondulazione di tensione aumenterà.

Quando si progetta il proprio sistema di alimentazione, ecco alcune domande che possono sorgere:

Se assumiamo che ci sia un solo elemento attivo nel circuito di ingresso che agisce come una resistenza negativa, possiamo analizzare l'impedenza che vediamo guardando direttamente nell'ingresso dell'SMPS.

Se la parte reale dell'impedenza è >0 rispetto alla frequenza, allora il circuito è stabile, presupponendo che lo stesso circuito di controllo SMPS sia stabile. L'analisi può essere effettuata analiticamente o mediante simulazione. La simulazione può essere facilmente utilizzata anche se il circuito di ingresso presenta molti elementi, mentre la progettazione analitica è più complessa. Inizieremo con la simulazione utilizzando LTspice.

Inizia calcolando l'approssimazione del primo ordine della resistenza negativa mediante derivazione della formula

Se la potenza in ingresso di un convertitore è 30 W, a 12 V ti darà la resistenza –122/30 Ω = –4,8 Ω. Il filtro di ingresso è costituito da un filtro LC. Supponendo che l'ingresso sia alimentato da un alimentatore a bassa resistenza ohmica, il circuito equivalente può essere semplificato e ridotto a uno schema di esempio nella Figura 4 con un'alimentazione ideale di 0 Ω.

Se aggiungiamo una sorgente di corrente alla simulazione, possiamo calcolare l'impedenza del piccolo segnale all'ingresso come V(IN)/I(I1). Questo è facilmente simulabile in LTspice.

Come possiamo vedere nel grafico dell'impedenza, c'è un picco di risonanza a circa 23 kHz. La fase dell'impedenza rientra nell'intervallo 90°< fase <270° intorno alla frequenza di risonanza del circuito LC, il che significa che la parte reale dell'impedenza è negativa. Possiamo anche tracciare l'impedenza in coordinate cartesiane e vedere direttamente la parte reale. È anche da notare che la parte reale diventa piuttosto grande (–3 Ω) alla risonanza a causa dell'alto Q.