Чому мій простий перетворювач посилення дає мені таку високу вихідну напругу?

Я намагаюся зрозуміти основи живлення в режимі комутації через симуляцію в LTSpice.

Я хотів побудувати вибагливий простий ланцюг перетворювача підсилювачів за навчальною моделлю, яка часто дається в підручниках, але я не можу змусити цю справу поводитись так, як я очікую, мабуть тому, що на практиці речі дуже різні :)

Ось принципова схема, експортована з LTSpice (зверніть увагу, що вона використовує символи ISO; компонент праворуч - резистор):

Напруга живлення 5В, і я прагну збільшити її до 12В із струмом навантаження 1А, або вихідною потужністю 12Вт. Я вибрав частоту комутації 20 кГц. За моєю математикою, мені потрібен робочий цикл 0,583 для цього, тому час повинен бути 29,15 мкс. Якщо припустити ефективність 0,90, вхідна потужність складе 13,34 Вт, а вхідний струм 2,67 А.

Припущення, які можуть заважати мені:

• Можливо, ефективність такої простої конструкції абсолютно нереальна, і мій струм введення набагато вищий, ніж я очікував.
• Спочатку я не дуже переймався пульсацією, тому просто вибрав індуктор та конденсатор випадковим чином.
• Можливо, частота комутації була занадто мала.

Я запустив симуляцію з часом 10 мс (має бути видно на графіці).

Що я очікував побачити - це напруга 5 В, можливо, з невеликою пульсацією, в точці 2 (між індуктором і NMOS) і напруга 12 В з пульсацією в точці 3 (між діодом і конденсатором).

Натомість виходить те, що виглядає як повний хаос - я отримую пікову напругу 23В, яка коливається біля 11,5 В у точці 2 та трохи нижчу пікову напругу трохи більше 22,5 В, яка коливається навколо 17 В у точці 3:

Зважаючи на те, що частота моєї комутації може бути занадто низькою, я спробував збільшити її до 200 кГц (T = 5 мкс, тон = 2,915 мкс), і тепер я отримую щось більше, як те, що я шукав, а це пікова напруга 12,8 В на точка 2 (коливається між цим і 0 В) і пік 12 В в точці 3 (коливається близько 11,8 В):

Відбулася значна пульсація напруги. Я спробував збільшити розмір індуктора до 100 мкГн, але, здавалося, це вплинуло на коливання при запуску. Тому я збільшив ємність до 10 мкФ, і, здавалося, це працює, коливання напруги в точці 3 значно менше. Зображення вище - результат з конденсатором 10 мкФ.

Тоді мої запитання:

• що не так з моєю оригінальною моделлю?
• 20 кГц - абсолютно нереальна частота комутації (здається дивним, що це було б)?
• якщо я хотів перемикати частоту 20 кГц, що мені потрібно змінити, щоб схема працювала так, як очікувалося? Набагато більший індуктор?
• чи нормально напруга на вхідній стороні бути аналогічним напрузі на вихідній стороні, коли схема досягла сталого режиму?
• яке рівняння я повинен використовувати для розміру конденсатора?

Ваша напруга працює в режимі переривчастої провідності або DCM (струм індуктора йде до нуля кожен цикл перемикання). Робочий цикл стає функцією навантаження, а також робочим циклом. Якщо ви збільшите навантаження, значення індуктора або частоту перемикання, ви досягнете точки, де ви побачите своє регулювання там, де ви цього очікуєте - це називається CCM, або режим безперервної провідності. Струм індуктора не падає до нуля, але постійно протікає. Тут буде чинною ваша формула робочого циклу.

20 кГц дуже повільно для перетворювача посилення. 14А піковий струм індуктора також нереально. Більшість прискорених перетворювачів PFC працюють від 70 до 100 кГц. Перетворювачам нижчої частоти зазвичай потрібні великі індуктори. Якщо ви хочете досягти CCM на 20 кГц, вам знадобиться набагато більше значення індуктивності підвищення. Спробуйте 470uH у своєму моделюванні, і ви побачите напругу ближче до 12V. (Якщо у вас була контролер у вашій моделі, вона автоматично регулює робочий цикл для досягнення 12В незалежно від роботи CCM або DCM).

Оскільки ваш перетворювач настільки сильно перетворюється на DCM, напруга комутаційного вузла нагадує вихідну напругу. Якщо ви наблизитесь до CCM, ви побачите більш чітку картину.

Для цього моделювання конденсатор має розмір такого розміру, що час ввімкнення напруги перемикача (викликане навантаженням) не є надмірним. У реальному житті є інші важливі параметри (загальна стабільність циклу, струм пульсації та рейтинг життя), які ви повинні враховувати, поряд із правильним вибором MOSFET, зворотним відновленням і м'якістю прискореного діода ...

З вибраними вами значеннями компонентів дійсно більше підходить для роботи з частотою 200 кГц. Навіть на 200 кГц я вважаю, що більш підходящий вихідний конденсатор може бути більше як 33 або 47uF.

Якщо ви використовуєте ідеальний індуктор з не вказаним еквівалентним серійним опором, то я б запропонував спробувати один із реалістичних індукторів з бібліотеки LTSpice, наприклад Coiltronics CTX10-3. У цього DCR 0,028 Ом. Це допоможе зменшити початковий сплеск пускового струму.

Також зауважте, що реалістична конструкція з фактичним перемикачем VR-контролера мала б функцію м'якого пуску, яка поступово приводить робочий цикл ШІМ до свого робочого рівня без величезного початкового сплеску. Також контролер контролював би вихідну напругу через дільник і порівнював його з посиланням для постійного регулювання робочого циклу ШІМ, регулюючи таким чином вихідну напругу.

У мене також були проблеми з цією схемою в LTspice. Я не думаю, що моя проблема була точно такою ж, як і ваша, але це єдиний гідний результат при пошуку "ltspice boost converter", тому я викладу тут свою відповідь.

Ось те, що я зробив неправильно:

1. Я використовував загальну модель "nmos". Це не працює. Я не знаю, чому, але, здається, він має дуже високий опір навіть у стані, що є дивним. У будь-якому випадку, спосіб виправити це - розмістити загальний nmos, потім клацніть правою кнопкою миші та натисніть «Вибрати новий транзистор», а потім виберіть його зі списку, наприклад IRFP4667.

2. Мій фільтруючий конденсатор був занадто великий. Це означає, що напруга на виході займає порядок секунд, щоб осісти (прекрасно в реальному житті, але дратує при моделюванні).

Ось мій заключний контур:

Деталі (ймовірно, не критичні):

• Я дав джерелу напруги 5В серійний опір 1 Ом.
• Індуктор має серійний опір 6 Ом.
• Параметри імпульсних поїздів - Тон = 8us, Тофф = 2us (T = 10us; 100 кГц).

Якщо хтось знає, чому стандартна модель nmos не працює, дайте мені знати!

Ви сказали: "Я хотів побудувати вибагливий простий контур перетворювача". Я хотів зробити те ж саме, і створив багато злодіїв Джоуля в LTSpice, і я ставлю його до тієї ж категорії - "Злодій Джоула" - це справді самооптимізуючий перетворювач прискорення, замаскований у ланцюг хобі, але я навчився багато про прискорені перетворювачі від крокування параметрів Joule Thief. А тому, що самооптимізується, він майже завжди щось робить і дає відчути, як кожен аспект схеми впливає на речі. Ось злодій Джоула, з яким ви поводитеся:

Отже, це один із способів. Але ...

Якщо ви хочете пов’язати експерименти Joule Thief в LTSpice з підходом до рецептів, знайдіть пару з 34063 таблиць даних, подібних до цього MC34063A, від ON Semi . Існує таблиця, в якій наведені рецептурні рецепти для прискореного перетворювача, перетворювача доларів та інвертованого перетворювача.

Ось схема для перетворювача посилення:

А ось формулярна таблиця, яку слід дотримуватися крок за кроком зверху вниз:

Якщо ви по черзі граєте з цими двома напрямками, я вважаю, що ви можете «навчити себе» деякій тій інтуїції, яку ви хочете отримати.

Я не зміг знайти MC34063 в бібліотеці LTSpice, але ви можете пройти вправу з таблиці, а потім витягнути злодія Джоуля або будь-який мікросхем підсилювача перетворення з бібліотеки LTSPice і підключити компоненти, задані вами, і воно повинно бути близьким до того, що ви хочете, і тоді ви можете налаштувати його. HTH.