LTspice Lab: Strom- und Spannungsdynamik von Abwärtswandlern

Im vorangegangenen Artikel „Understanding Switch-Mode Regulation: The Buck Converter“ habe ich die LTspice-Implementierung der Leistungsstufe eines Abwärtsschaltreglers, dargestellt in Abbildung 1, vorgestellt und erklärt.

In diesem Artikel wird die elektrische Aktivität des Schaltkreises im Verhältnis zu den beiden Zuständen des Schalters – Ein und Aus – untersucht.

Wenn die Schaltersteuerwellenform (VSWITCH im Schaltplan) logisch hoch ist, ist der Schalter eingeschaltet. Dadurch kann der Strom ungehindert von der Eingangsversorgung zum rechten Teil des Stromkreises fließen (Abbildung 2).

Wie Sie in Abbildung 2 sehen, fließt der Versorgungsstrom durch den Schalter S1 und die Induktivität L1 auf seinem Weg zum Kondensator C1 und dem Lastwiderstand. Der Strom durch den Induktor steigt an und der Induktor „lädt“ auf, dh die in seinem Magnetfeld gespeicherte Energiemenge nimmt zu. Der Induktorstrom wird auf den Kondensator und die Last verteilt.

Beachten Sie, dass das Diagramm keinen Stromfluss in die Diode zeigt. Im eingeschalteten Zustand ist der Spannungsabfall am Schalter nahezu Null und die Spannung an der Diode entspricht daher ungefähr VIN. Somit ist die Diode in Sperrrichtung vorgespannt und wirkt wie ein offener Stromkreis.

Betrachten wir sorgfältig die Informationen, die im Mehrfensterdiagramm von Abbildung 3 enthalten sind, während der Schalter eingeschaltet wird. Wir werden jede Nebenhandlung von unten nach oben besprechen.

Von unten beginnend wissen wir, dass wir uns im eingeschalteten Zustand befinden, da die Spannung (12 V) an der Diode, V(d1), der Eingangsspannung entspricht.

Der Induktorstrom I(L1) steigt an und der Induktor wird aufgeladen. Beachten Sie, dass der Mindestwert der vertikalen Achse in diesem Diagramm 80 mA und nicht 0 mA beträgt. Obwohl der Schalter den Eingangsstrom im ausgeschalteten Zustand vollständig blockiert, sorgt die Induktivität dafür, dass weiterhin erhebliche Strommengen im rechten Teil des Stromkreises fließen.

Der in den Kondensator fließende Strom I(C1) nimmt ebenfalls zu. Der Kondensator beginnt sich aufzuladen (und seine Spannung steigt), wenn I(C1) 0 mA überschreitet und positiv wird.

Der Laststrom I(Load) ist stabil beim Durchschnittswert des Induktorstroms. Wie bleibt der Laststrom so stabil, wenn der Induktorstrom mit einer Welligkeit von 140 mA ansteigt und abfällt? Die einzigen zwei Wege für den Induktorstrom sind der Lastwiderstand und der Kondensator C1, daher muss die Antwort C1 betreffen.

Wenn Sie über das I(C1)-Diagramm nachdenken, werden Sie feststellen, dass der Kondensator die Abweichungen des Induktorstroms kontinuierlich ausgleicht. Wenn beispielsweise I(L1) 80 mA beträgt, beträgt I(C1) –70 mA, wobei das negative Vorzeichen bedeutet, dass der Kondensator 70 mA liefert. Die Last erhält 80 mA von der Induktivität plus 70 mA vom Kondensator, was einen Gesamtstrom von 150 mA ergibt.

Wenn I(L1) jedoch 220 mA beträgt, beträgt I(C1) +70 mA, wobei das positive Vorzeichen bedeutet, dass der Kondensator 70 mA aufnimmt. Somit erhält die Last 220 mA – 70 mA = 150 mA.

Die Ausgangsspannung V(vout), die auch die Spannung am Kondensator ist, weist eine geringe Amplitudenwelligkeit um ihre Durchschnittsspannung herum auf. Im Diagramm der Ausgangsspannung habe ich die Y-Achse vergrößert, um die Spannungswelligkeit hervorzuheben.

Beachten Sie, dass die Spannung zu steigen beginnt, wenn der Kondensatorstrom 0 mA überschreitet. Das macht Sinn – in dieser Simulation ist der positive Kondensatorstrom der Strom, der in den Kondensator fließt und daher zu einem Spannungsanstieg führt.

Die ca. 6 V am Ausgang betragen etwa die Hälfte der 12 V am Eingang. Der Tiefsetzsteller hat die Spannung tatsächlich wie gewünscht heruntergeregelt.

Wenn der Schalter S1 ausgeschaltet ist, fließt im rechten Teil des Stromkreises weiterhin Strom, wie in Abbildung 4 dargestellt. Dieser Strom kann jedoch nicht von der Eingangsversorgung stammen und kann auch nicht von dort kommen nirgends. Stattdessen zirkuliert es mit Hilfe der Diode D1.

Wenn der Schalter ausgeschaltet wird, fungiert die Induktivität L1 wie eine Quelle und nicht wie eine Last. Der Induktor hält den Stromfluss trotz des Ausfalls der Eingangsversorgung aufrecht, sein Strom nimmt jedoch ab.

Wenn der Induktorstrom abnimmt, kehrt sich die Polarität seines Spannungsabfalls relativ zur Polarität um, wenn der Strom zunimmt. Im Schaltplan von Abbildung 4 bedeutet dies, dass der linke Induktoranschluss relativ zum rechten Anschluss negativ wird, und tatsächlich wird diese Spannung sogar negativ gegenüber Masse.

Wenn die Klemmenspannung des linken Induktors negativ genug wird, um die Diode D1 in Durchlassrichtung vorzuspannen, kann Strom zirkulieren, wie im Diagramm gezeigt. Die Diode spielt in einem Schaltregler eine entscheidende Rolle. Es stört den Schaltkreisbetrieb im Ein-Zustand nicht und schafft im Aus-Zustand einen Pfad mit niedriger Impedanz für den Induktorstrom.

Schauen wir uns die Off-State-Version des in Abbildung 5 gezeigten Mehrfensterdiagramms an, wobei wir uns erneut von unten nach oben vorarbeiten.

Beachten Sie, dass V(d1), die Spannung an der Kathode der Diode und auch die Spannung am linken Anschluss der Induktivität, nicht auf Null, sondern unter Null fällt. Er liegt weit genug unter Null, um die Diode in Durchlassrichtung vorzuspannen. Die Anode der Diode ist direkt mit Masse verbunden und daher erfordert eine Vorwärtsvorspannung eine negative Spannung an der Kathode.

Der Induktorstrom I(L1) nimmt ab, was darauf hinweist, dass sich der Induktor entlädt, dh Energie in seinem Magnetfeld verliert. Der Spannungsabfall der Induktivität ist so groß, dass sie Strom vom Erdungsknoten durch die Diode ziehen kann.

Der Kondensatorstrom I(C1) nimmt ab und wechselt vom positiven Bereich in den negativen Bereich zu einem Zeitpunkt, der dem Übergang von steigender Kondensatorspannung zu sinkender Kondensatorspannung im V(vout)-Diagramm entspricht.

Wie im Ein-Zustand bleibt der Laststrom im Aus-Zustand im Wesentlichen konstant.

Die Ausgangsspannung steigt, wenn der Kondensator der Last Ladung zuführt, und beginnt dann zu sinken, wenn der Kondensatorstrom negativ wird. Beachten Sie, dass die Skala für die Spannung erneut übertrieben ist, um die relativ geringe Schwankung der Ausgangsspannung hervorzuheben.

Wir haben das elektrische Verhalten einer Abwärtsschaltregler-Leistungsstufe im Einschaltzustand und im Ausschaltzustand untersucht. Ich hoffe, dass diese Diskussion Ihnen geholfen hat zu verstehen, wie diese Schaltungen eine stabile Spannung und einen konstanten Laststrom aufrechterhalten und gleichzeitig einen hohen Wirkungsgrad erreichen. Möglich wird dies durch die Ein-/Aus-Schaltersteuerung.

Im nächsten Artikel befassen wir uns mit der Dimensionierung und Auswahl der Komponenten.