스위치 이해

나는 이전에 스위치 모드 전압 조정에 대한 높은 수준의 개념적 개요를 제공했습니다. 스위치 모드 벅 컨버터를 시뮬레이션하기 위해 LTSpice를 사용하여 전류 및 전압 동작을 철저히 조사함으로써 이론적 처리를 따르고 싶습니다.

우리가 작업할 회로는 그림 1의 회로도에 나와 있습니다. 이를 벅 또는 스텝다운 컨버터라고 합니다.

벅 또는 강압 컨버터를 사용하면 전력 관리 회로의 일반적인 작업을 수행할 수 있습니다. 즉, 12V 또는 28V와 같은 표준 시스템 레벨 전압을 저전력 공급 레일에 적합한 5V 또는 3.3V 공급 레일로 줄이는 것입니다. 전압 전자.

그림 1의 토폴로지는 스위치 모드 조정기의 전력단일 뿐이므로 "도움말"이라고 표현했습니다. 피드백이 부족하여 지정된 출력 전압에 고정할 수 없기 때문에 완전한 조정기가 아닙니다.

시뮬레이션 및 분석에 대해 알아보기 전에 이 LTspice 회로도의 설명이 필요 없는 몇 가지 측면에 대해 논의해 보겠습니다.

물리적 변환기 회로의 전원 스위치는 일반적으로 전계 효과 트랜지스터입니다. 이 시뮬레이션 회로에서는 사양이 .model MYSW SW(...) 문에 의해 결정되는 전압 제어 스위치를 사용하고 있습니다. 스위칭 특성은 매우 유리하지만 이상적이지는 않습니다.

VSWITCH는 스위치를 켜고 끄는 직사각형파를 생성합니다. .param 문을 사용하여 키 전환 특성을 쉽게 제어할 수 있는 다양한 매개변수를 정의했습니다. 나는 회로 동작을 직관적으로 생각하기 위해 내 두뇌가 요구하는 값인 발진기 주파수와 듀티 사이클을 지정합니다. 이는 LTspice의 PULSE 기능에 필요한 값인 기간과 시간을 계산하는 데 사용됩니다.

출력 커패시터는 컨버터 작동에 필수적이므로 시뮬레이션 회로와 실제 회로 모두에 필요합니다. 물리적 회로에는 소스 임피던스를 줄여 컨버터가 입력 공급 장치에서 강렬한 전류 버스트를 보다 원활하게 끌어낼 수 있도록 하는 중요한 목적을 제공하는 입력 커패시터도 필요합니다. SPICE 구현의 입력 공급 장치에는 직렬 임피던스가 0이므로 입력 커패시터가 필요하지 않습니다.

그림 1에 표시된 인덕턴스(100μH) 및 정전 용량(1μF) 값은 이 TI 애플리케이션 노트에 있는 방정식을 사용하여 계산한 합리적인 시작점입니다. 향후 기사에서는 커패시터와 인덕터 값의 영향을 살펴보겠습니다.

듀티 사이클이 50%이고 부하 저항이 1kΩ인 시뮬레이션을 실행해 보겠습니다. 그림 2는 시간에 따른 출력 전압의 그래프입니다. 출력 전압이 정상 상태 값에 도달하려면 어느 정도 시간이 필요합니다.

차지 펌프라고 부르는 커패시터 기반 스위처를 포함한 스위치 모드 컨버터에는 출력 커패시터를 충전하는 데 필요한 시간에 해당하는 시동 지연이 있습니다. 이는 거의 모든 회로에서 발생합니다. 왜냐하면 충전이 필요한 어딘가에 항상 약간의 정전 용량이 있기 때문입니다.

하지만 스위처를 사용하면 충전 전류가 스위칭 동작에 의해 제한되고 충전되는 정전용량의 양이 상대적으로 크기 때문에 시동 시간이 상당히 길어질 수 있습니다.

그림 2에서 볼 수 있듯이 입력 전압이 12V인 경우 정상 상태 출력 전압은 약 10.5V입니다. 듀티 사이클은 50%인데 출력 전압이 입력 전압의 50%보다 훨씬 높은 이유는 무엇입니까?

이전 기사를 읽었다면 필터링된 전압의 크기가 PWM 파형의 듀티 사이클에 직접적으로 대응하는 다이어그램(그림 3에 반복됨)을 보셨을 것입니다.

그러나 이 다이어그램은 PWM 파형 필터링의 효과만 설명합니다. 반면 스위치 모드 컨버터에서 PWM 듀티 사이클은 VIN 대 VOUT 비율에 영향을 미치는 다양한 요소 중 하나일 뿐입니다. 듀티 사이클을 50%로 두고 인덕터 값, 부하 저항량 또는 스위칭 주파수를 수정하여 출력 전압을 크게 변경할 수 있습니다.