La cosa principale che ti manca è che ciò che viene inserito nel filtro LC non è necessariamente sempre un'onda quadra. È quando il convertitore buck è in modalità continua , ma a meno che tu non sappia che è sempre così, non puoi assumere l'ingresso dell'onda quadra al filtro come sei.

In modalità continua, la tensione di uscita è idealmente la tensione di ingresso moltiplicata per il ciclo di lavoro. Tuttavia, non è così semplice nel mondo reale. Anche se la tensione di ingresso rimane costante, è necessario considerare la resistenza CC dell'induttore, la tensione attraverso l'interruttore e la tensione attraverso il diodo da terra durante il periodo di bassa frequenza dell'impulso.

Quest'ultimo può essere mitigato dalla rettifica sincrona, ma neanche questo è perfetto. Almeno, c'è la caduta di tensione su tutto ciò che viene utilizzato come interruttore del raddrizzatore sincrono. Anche la tempistica della rettifica sincrona viene solitamente resa conservativa, il che significa che sbaglia a rimanere un po 'troppo breve piuttosto che troppo a lungo. Il costo dello spegnimento un po 'anticipato è una maggiore caduta di tensione alla fine della parte flyback dell'impulso. Tuttavia, il costo per accenderlo troppo tardi è estremamente elevato, il che riduce rapidamente l'efficienza e rischia di danneggiare le parti.

Ho visto alimentatori di preregolazione che erano interruttori buck con ciclo di lavoro fisso. In un caso, è stato utilizzato per abbassare una tensione di distribuzione di 48 V fino a una tensione approssimativa di 12 V, che è stata distribuita localmente e ridotta alle tensioni regolate finali da altri alimentatori. Non importava se i 12 V variavano leggermente.

Un alimentatore generico deve essere progettato per gestire anche carichi ridotti. Al di sotto di un carico per qualsiasi frequenza di commutazione, uno switcher buck non può mantenere la modalità continua. Alcune forniture OEM affermano semplicemente che è richiesto un carico minimo.

I materiali di consumo più generici tornano alla modalità discontinua.In tal caso la tua ipotesi di onda quadra fissa fallisce.Ora ci sono davvero 3 parti del ciclo.All'inizio, l'ingresso al filtro LC è attivamente portato alto.Quando si ferma, inizia la parte flyback, che porta l'input attivamente basso.Poi c'è la terza fase in modalità discontinua dove si considera l'ingresso effettivamente ad alta impedenza.La funzione del ciclo di lavoro sulla tensione di uscita non è più lineare.

Un convertitore buck può infatti essere visualizzato come un generatore di onde quadre a bassa impedenza che alimenta un filtro passa-basso che combina un induttore \ $ L \ $ e un condensatore \ $ C \ $. Tuttavia, come puoi immaginare, quando l'interruttore di alimentazione si chiude, \ $ V_ {in} \ $ non è il valore applicato al terminale dell'induttore di sinistra. La sorgente di ingresso subisce una caduta di tensione inerente all'interruttore di alimentazione \ $ r_ {DS (on)} \ $ e alla perdita ohmica dell'induttore \ $ r_L \ $. Di conseguenza, la tensione dell'induttore di stato on non è \ $ V_ {in} -V_ {out} \ $ ma inferiore a quella mostrata nell'immagine a sinistra:

Durante il tempo di spegnimento, in modalità di conduzione continua o CCM, il terminale sinistro dell'induttore non scende a 0 V ma alla caduta diretta del diodo che forza il nodo a oscillare sotto terra. Pertanto, quando applichi la legge di bilanciamento volt-secondo per l'induttore, ti rendi conto che la formula della tensione di uscita completa, comprese queste perdite, differisce da quella semplice in CCM, \ $ V_ {out} = DV_ {in} \ $. Potresti complicare ulteriormente l'espressione includendo il tempo di ripristino del diodo e le perdite di accensione e spegnimento dell'interruttore.

In pratica, come hai detto, un convertitore buck azionato da CCM con 0 parassiti e operato a una tensione di ingresso costante non avrebbe bisogno di un loop per mantenere il suo punto operativo di uscita. Tuttavia, come potete vedere, diversi elementi parassiti influenzano la funzione di trasferimento cc e un circuito di controllo deve correggere la tensione di controllo forzando la tensione di uscita a soddisfare il target. La resistenza al carico influenzerà la frequenza d'angolo ma in realtà molto marginalmente, coinvolgendo \ $ r_L \ $ e \ $ r_C \ $. Il loop è lì per rendere veramente il regolatore (il setpoint è fisso) immune da perturbazioni esterne come la tensione di ingresso e la corrente di uscita. Guarda l'immagine sotto:

Vedi l'effetto del ciclo su diversi parametri:

• la tensione di uscita: ovviamente vuoi un \ $ V_ {out} \ $ regolato con precisione quindi hai bisogno di guadagno nel tuo loop (nessun guadagno, nessun sistema di controllo) per a) ridurre il più possibile l'errore statico b) garantire un sistema a reazione rapida a un'improvvisa richiesta di potenza c) rendere il sistema robusto alle perturbazioni esterne.
• l'impedenza di uscita: come puoi vedere, l'impedenza di uscita è ostacolata da tutti i parassiti come \ $ r_ {DS (on)} \ $, le perdite ohmiche ecc. La risposta del piccolo segnale a un gradino è dettata dall'impedenza di uscita. Si desidera quindi che questa impedenza sia di un valore sufficientemente basso per assicurarsi che la caduta di uscita quando la corrente di carico cambia rimanga ragionevole. Il guadagno del loop lavorerà per ridurre l'impedenza di uscita mediante la funzione di sensibilità \ $ ​​S = \ frac {1} {1 + T (s)} \ $ in cui \ $ T \ $ è il guadagno del loop.
• lo stesso per l'altra perturbazione, \ $ V_ {in} \ $. Quando hai \ $ V_ {out} = DV_ {in} \ $ puoi vedere che se differenzi \ $ V_ {out} (V_ {in}) \ $ rispetto a \ $ V_ {in} \ $ ottieni \ $ D \ $. Ciò significa che qualsiasi cambiamento statico nella tensione di ingresso verrà propagato all'uscita da \ $ D \ $. Non molto bene. Anche in questo caso, l'aggiunta del loop migliorerà la reiezione della tensione di ingresso o la sensibilità audio da parte della funzione di sensibilità.

Si presume che Switch Mode Power Supply (SMPS) utilizzi la Pulse Width Modulation (PWM) per superare un livello di tensione medio e il filtro LC rimuove la parte di commutazione per lasciare quella tensione media.Tuttavia non è così che funzionano.

Un SMPS utilizza PWM per trasferire energia da una sorgente per immagazzinarla su un condensatore in modo che il livello di tensione su quel condensatore sia quello definito dal circuito di feedback.

Quando il carico cambia e richiede più o meno energia, l'SMPS cambia la velocità di trasferimento di tale energia per mantenere il condensatore alla tensione target.Se il carico scompare completamente, il PWM può effettivamente arrestarsi.

Se il tuo carico è fisso e anche la tua alimentazione di ingresso è fissa, si verificheranno alcune operazioni PWM a stato stazionario, ma in realtà è piuttosto raro.Se lo provi senza feedback, QUALSIASI differenza di carico o sorgente causerà una deriva della tensione di uscita in un modo o nell'altro nel tempo poiché il trasferimento di energia sarà troppo alto o troppo basso.

La risposta sopra è davvero fantastica. Grazie.

Tra gli effetti di non idealità di switch, diodi e DCM, penso che uno dei motivi sia la risposta ai transienti.Per avere una risposta rapida ai transienti, è necessario disporre di un'elevata frequenza di cross over che renda la risposta rapida.Ma il filtro LC in realtà taglia gli 0dB in diversi kHz.Di solito si desidera che la frequenza di cross over sia la più alta possibile, ma non può superare la metà della frequenza di commutazione a causa della frequenza di Nyquist.Quindi è necessario che il feedback ti dia un guadagno in modo da poter fare in modo che la frequenza di cross over sia di circa cento e qualcosa kHz.

Se si progettasse uno switcher in modalità buck con interruttori sincroni anziché diodi e se gli interruttori potessero trasmettere corrente in entrambe le direzioni, l'alimentazione trasmetterebbe potenza dal limite di alimentazione al limite di carico quando la sua tensione di uscita è metà della tensione di ingresso e dal limite di carico al limite di alimentazione quando è maggiore, ottenendo così una regolazione un po 'sciatta (ma forse utile). Se nulla assorbe corrente dal limite di carico, un sistema azionato con un dazio del 50% si stabilizzerebbe verso una modalità che:

1. Alimenta la corrente dal limite di carico al limite di alimentazione per il primo quarto di ogni ciclo, utilizzando l'energia immagazzinata nell'induttore per guidare la corrente contro la differenza di potenziale.

2. Alimenta la corrente dal limite di alimentazione al limite di carico durante il trimestre successivo, caricando l'induttore con l'energia derivante dalla differenza di potenziale.

3. Continua a fornire corrente al limite di carico (con l'alimentazione scollegata) durante il trimestre successivo, utilizzando l'energia accumulata nell'induttore.

4. Assorbe corrente dal limite di carico (sempre con l'alimentazione scollegata) durante l'ultimo trimestre, immagazzinando tale energia nell'induttore.

Se gli interruttori possono funzionare tutti in entrambe le direzioni, il sistema sarebbe stabile in questo schema. Se, tuttavia, uno o entrambi gli interruttori possono funzionare solo in una direzione, qualsiasi energia trasferita nell'induttore dalla sorgente dovrebbe essere trasferita al tappo di carico o essere dissipata come calore da qualche parte. La quantità di energia che l'induttore riceve dalla sorgente in un ciclo "on" dipenderà da quanta corrente lo attraversava inizialmente, ma se la corrente iniziale non può essere negativa l'energia ricevuta in un ciclo on avrà un effetto non banale minimo. Se non c'è nessun posto dove quell'energia possa andare, il tempo di "accensione" deve essere ridotto.