Выключатель

Почему стабильный импульсный источник питания все еще колеблется?

Абсолютно стабильный импульсный источник питания (SMPS) все равно может колебаться из-за отрицательного сопротивления на входе. SMPS выглядит как небольшой сигнал отрицательного сопротивления на входе. Вместе с входной индуктивностью и емкостью на входе он может образовывать незатухающий колебательный контур. В данной статье рассматривается анализ и решение проблемы. Для моделирования используется LTspice®.

Функция импульсного регулятора заключается в максимально эффективном преобразовании входного напряжения в регулируемое постоянное выходное напряжение. В этом процессе есть некоторые потери, и эффективность измеряется как

Мы можем предположить, что регулятор поддерживает постоянное значение VOUT, а ток нагрузки IOUT считается константой, а не функцией VIN. На рисунке 1 показан график IIN как функция VIN.

На рисунке 2 мы рисуем касательную в рабочей точке 12 В. Наклон тангенса будет равен изменению тока малого сигнала в зависимости от напряжения в рабочей точке.

Наклон касательной можно рассматривать как входное сопротивление RIN или входное сопротивление RIN = ZIN (f = 0) преобразователя. Что происходит с входным сопротивлением для частот f > 0, мы оставим для дальнейшего обсуждения в этой статье. А пока считаем его постоянным и по частоте ZIN(f) = ZIN(f = 0). Самое интересное наблюдение: входное сопротивление этого небольшого сигнала отрицательно, поскольку наклон имеет отрицательный наклон. Если входное напряжение увеличивается, ток уменьшается, и наоборот.

В качестве отправной точки мы можем рассмотреть схему на рис. 3, где ИИП вместе со своей входной емкостью и входной индуктивностью в питающей сети образует высокодобротную LC-цепь, демпфированную отрицательным сопротивлением. Если в цепи преобладает отрицательное сопротивление, она становится генератором, который будет незатухающим колебаться вблизи резонансной частоты. На практике нелинейности больших колебаний сигнала влияют на частоту колебаний и форму сигнала.

Индуктивностью в этой цепи может быть индуктивность входного фильтра или индуктивность кабелей. Чтобы сделать цепь стабильной, вам нужно, чтобы положительное сопротивление доминировало над отрицательным сопротивлением, чтобы сделать цепь демпфированной. Это проблематично, поскольку вы не хотите, чтобы последовательное сопротивление дросселя было высоким. Это приведет к увеличению тепловыделения и снижению эффективности. Вы также не хотите, чтобы последовательное сопротивление конденсатора было высоким, поскольку пульсации напряжения будут увеличиваться.

При проектировании системы электроснабжения могут возникнуть следующие вопросы:

Если предположить, что во входной схеме имеется только один активный элемент, действующий как отрицательное сопротивление, мы можем проанализировать сопротивление, которое мы видим, глядя непосредственно на вход ИИП.

Если действительная часть импеданса превышает 0 по частоте, то схема стабильна, при условии, что сам контур управления ИИП стабилен. Анализ может проводиться аналитически или путем моделирования. Моделирование можно легко использовать, даже если входная цепь имеет много элементов, а аналитическое проектирование сложнее. Мы начнем с моделирования с использованием LTspice.

Начнем с расчета первого порядка отрицательного сопротивления путем вывода формулы

Если входная мощность преобразователя 30 Вт, то при 12 В он даст сопротивление –122/30 Ом = –4,8 Ом. Входной фильтр состоит из LC-фильтра. Предполагая, что на вход подается низкоомный источник питания, эквивалентную схему можно упростить и свести к примерной схеме на рисунке 4 с идеальным источником питания с сопротивлением 0 Ом.

Если мы добавим к моделированию источник тока, мы сможем рассчитать сопротивление малого сигнала на входе как V(IN)/I(I1). Это легко моделировать в LTspice.

Как мы видим на графике импеданса, на частоте около 23 кГц имеется резонансный пик. Фаза импеданса переходит в диапазон 90°< фазы <270° примерно на резонансной частоте LC-контура, что означает, что действительная часть импеданса отрицательна. Мы также можем построить импеданс в декартовых координатах и ​​непосредственно увидеть действительную часть. Также примечательно, что действительная часть становится довольно большой (–3 Ом) в резонансе из-за высокой добротности.