Neden basit yükseltme dönüştürücüm bana bu kadar yüksek bir tepe voltajı veriyor?

LTSpice'deki bir simülasyon aracılığıyla anahtarlamalı güç kaynağı temellerini anlamaya çalışıyorum.

Ders kitaplarında sıklıkla verilen bir öğretim modelini takip ederek dayanılmaz derecede basit bir destek dönüştürücü devresi inşa etmek istedim, ancak muhtemelen şeylerin pratikte çok farklı olması nedeniyle beklediğim gibi davranamıyorum :)

İşte LTSpice'den dışa aktarılan şematik diyagram (ISO sembolleri kullandığını unutmayın; sağdaki bileşen bir dirençtir):

Besleme gerilimi 5V ve 1A yük akımı veya 12W çıkış gücü ile 12 V'a yükseltmeye çalışıyorum. 20kHz'lik bir anahtarlama frekansı seçtim. Benim matematiğimle, bunu yapmak için 0,583 görev döngüsüne ihtiyacım var, bu yüzden açık kalma süresi 29,15 µs olmalıdır. 0.90 verimlilik varsayıldığında, giriş gücü 13.34W ve giriş akımı 2.67A olacaktır.

Beni belaya sokabilecek varsayımlar:

• Belki de bu kadar basit bir tasarım için verimlilik tamamen gerçekçi değildir ve giriş akımım beklediğimden çok daha yüksek.
• Başlangıçta dalgalanma hakkında pek umursamadım, bu yüzden indüktörü ve kapasitörü rastgele seçtim.
• Belki anahtarlama frekansı çok düşüktü.

Simülasyonu 10 ms'lik bir süre ile çalıştırdım (grafikte görünmelidir).

Görmeyi umduğum şey, 2 numaralı noktada (indüktör ile NMOS arasında) belki de hafif bir dalgalanma ile 5V'luk bir voltaj ve 3 numaralı noktada (diyot ile kondansatör arasında) bir dalgalanma ile 12 V'luk bir voltajdır.

Bunun yerine, toplam kaos gibi görünen şey - 2. noktada 11.5V etrafında salınan 23V'luk bir tepe voltajı ve 3. noktada 17V civarında salınan 22.5V'un biraz üzerinde düşük bir voltajı elde ediyorum:

Anahtarlama frekansımın çok düşük olabileceği yığınında, 200kHz'e yükseltmeye çalıştım (T = 5µs, Ton = 2.915µs) ve şimdi aradığım şey gibi bir şey elde ettim, bu da 12.8V'lık bir tepe voltajı nokta 2 (bu ve 0V arasında salınım) ve nokta 3'te (yaklaşık 11.8V salınım) 12 V'luk bir tepe noktası:

Voltajda önemli dalgalanmalar vardı. İndüktörün boyutunu 100µH'ye artırmayı denedim, ancak etkilediği tek şey başlangıç ​​salınımıydı. Bu yüzden kapasitansı 10 µF'ye çıkardım ve işe yaramış gibi görünüyor, 3. noktadaki voltaj salınımı çok daha küçük. Yukarıdaki görüntü 10µF kapasitör ile elde edilen sonuçtur.

O zaman sorularım:

• orijinal modelimde sorun nedir?
• 20kHz tamamen gerçekçi olmayan bir anahtarlama frekansı mı (olacağı garip görünüyor)?
• 20kHz anahtarlama frekansı isteseydim, devrenin beklendiği gibi çalışması için neyi değiştirmek zorundayım? Çok daha büyük bir indüktör?
• devre kararlı duruma ulaştığında giriş tarafındaki voltajın çıkış tarafındaki voltaja benzer olması normal midir?
• kapasitörü boyutlandırmak için hangi denklemi kullanmalıyım?

Artışınız süreksiz iletim modunda veya DCM'de çalışıyor (indüktör akımı her anahtarlama döngüsünde sıfıra gidiyor). Görev döngüsü, görev döngüsünün yanı sıra yükün bir fonksiyonu haline gelir. Yükü, indüktör değerini veya anahtarlama frekansını artırırsanız, düzenlemenizi beklediğiniz yerde göreceğiniz bir noktaya ulaşırsınız - buna CCM veya sürekli iletim modu denir. İndüktör akımı sıfıra düşmez, sürekli olarak akar. Görev döngüsü formülünüz burada geçerli olacaktır.

20 kHz, yükseltme dönüştürücü için çok yavaş. Bir tepe indüktör akımı da gerçekçi değildir. Çoğu PFC boost dönüştürücüsü 70 ila 100 kHz arasında çalışır. Düşük frekans dönüştürücüler genellikle daha büyük indüktörlere ihtiyaç duyar. CCM'yi 20kHz'de elde etmek istiyorsanız, çok daha yüksek bir artış endüktans değerine ihtiyacınız olacaktır. Simülasyonunuzda 470uH'yi deneyin, voltajı 12V'ye daha yakın göreceksiniz. (Modelinizde bir kontrolör varsa, CCM veya DCM işleminden bağımsız olarak 12V'a ulaşmak için görev döngüsünü otomatik olarak ayarlayacaktır).

Dönüştürücünüz DCM'ye çok yoğun olduğundan, anahtarlama düğümü voltajı çıkış voltajına benzer. CCM'ye yaklaşırsanız daha net bir resim görürsünüz.

Bu simülasyon için kapasitör, anahtar açık kalma süresi gerilimi (yükün neden olduğu) aşırı olmayacak şekilde boyutlandırılmıştır. Gerçek hayatta, uygun MOSFET seçimi, takviye diyotunun ters iyileşmesi ve yumuşaklığı ile birlikte dikkate almanız gereken önemli diğer parametreler (genel döngü kararlılığı, dalgalanma akımı ve yaşam derecesi) vardır ...

Seçtiğiniz bileşen değerleri ile 200kHz frekansı ile çalışmak gerçekten daha uygundur. 200kHz'de bile daha uygun bir çıkış kapasitörünün 33 veya 47 uF gibi olabileceğini düşünüyorum.

Eşdeğer seri direnci belirtilmemiş ideal bir indüktör kullanıyorsanız, Coiltronics CTX10-3 gibi LTSpice kütüphanesinden gerçekçi indüktörlerden birini denemenizi öneririm. Bunun DCR değeri 0.028 ohm'dur. Bu, başlangıç ​​akımının ilk dalgalanmasını azaltmaya yardımcı olacaktır.

Ayrıca, gerçek bir anahtarlama VR kontrol cihazına sahip gerçekçi bir tasarımın, PWM görev döngüsünü büyük bir başlangıç ​​dalgalanması olmadan yavaş yavaş çalışma seviyesine getiren yumuşak bir başlatma özelliğine sahip olacağını unutmayın. Ayrıca bir kontrolör çıkış voltajını bir bölücü aracılığıyla izler ve PWM görev döngüsünü sürekli olarak ayarlamak ve böylece çıkış voltajını düzenlemek için bir referansla karşılaştırır.

LTspice'de de bu devre ile ilgili sorunlar yaşadım. Benim sorunum seninkiyle tam olarak aynı olduğunu sanmıyorum ama bu "ltspice boost dönüştürücü" ararken tek iyi sonuç bu yüzden cevabımı buraya koyacağım.

İşte yanlış yaptığım şeyler:

1. Ben jenerik "nmos" modelini kullandım. Çalışmıyor. Nedenini bilmiyorum ama garip olan durumda bile gerçekten yüksek bir dirence sahip gibi görünüyor. Her neyse, düzeltmenin yolu, genel nmos'u yerleştirmek, sonra sağ tıklayıp "Yeni transistör seç" i tıklamak, ardından listeden bir tane seçmek, örn. IRFP4667.

2. Filtreleme kapasitörüm çok büyüktü. Bu, çıkış voltajının yerleşmesi için birkaç saniye sürdüğü anlamına gelir (gerçek hayatta iyi, ancak bir simülasyonda can sıkıcı).

İşte benim son devrem:

Ayrıntılar (muhtemelen kritik değil):

• 5V voltaj kaynağına 1 ohm'luk bir seri direnç verdim.
• İndüktör 6 ohm'luk bir seri dirence sahiptir.
• Pals dizisi parametreleri Ton = 8us, Toff = 2us (T = 10us; 100 kHz).

Standart nmos modelinin neden çalışmadığını bilen biri varsa bana bildirin!

Dedim ki, "Ben çok basit bir destek dönüştürücü devresi inşa etmek istedim". Aynı şeyi yapmak istedim ve LTSpice'de birçok Joule Hırsızı inşa ettim ve aynı kategoriye koydum - Joule Thief gerçekten bir hobiist devre olarak gizlenmiş kendi kendini optimize eden bir destek dönüştürücü, ancak Joule Thief parametrelerini adım atmak için boost dönüştürücüler hakkında çok şey. Kendini optimize ettiği için neredeyse her zaman bir şeyler yapar ve devrenin her yönünün bir şeyleri nasıl etkilediğine dair bir fikir verir. İşte size uğraşmanız gereken bir Joule Thief:

Yani, bu bir yol. Fakat...

LTSpice'teki Joule Thief deneylerini reçete benzeri bir yaklaşımla bağlamak istiyorsanız, ON Semi'den bu MC34063A gibi 34063 veri sayfasından birkaçına bakın . Takviye dönüştürücü, kova dönüştürücü ve ters çevrilmiş destek dönüştürücü için formülik tarifler veren bir tablo var.

Boost dönüştürücü için şema:

Ve işte yukarıdan aşağıya adım adım izlenecek formül tablosu:

Bu iki yönde oynamayı tercih ederseniz, almak istediğiniz sezginin bir kısmına “kendinize öğretebilirsiniz” inanıyorum.

LTSpice kütüphanesinde bir MC34063 bulamadım, ancak egzersizi tablodan geçirebilir ve daha sonra bir Joule Thief veya herhangi bir boost dönüştürücü çipini LTSPice kütüphanesinden çekebilir ve belirli bir senaryonun size verdiği bileşenleri takabilirsiniz, ve istediğiniz şeye yakın olmalı ve sonra onu değiştirebilirsiniz. HTH.