Текущий шаг к цепи LC

Понижающий преобразователь представляет собой напряжение с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), включенное последовательно с фильтром нижних частот. Выход фильтра представляет собой (в идеале) среднее значение постоянного напряжения ШИМ:

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Напряжение ШИМ генерируется путем переключения входного напряжения постоянного тока. Когда переключатель 1 включен, переключатель 2 выключен, и наоборот:

^{смоделируйте эту схему}

Переключение обычно выполняется с помощью полевого МОП-транзистора и диода. МОП-транзистор управляется сигналом ШИМ, который может быть получен с помощью аналоговой схемы (с использованием пилообразной волны и компаратора) или цифровой схемы (с использованием счетчика):

^{смоделируйте эту схему}

Фильтр нижних частот может быть RC-фильтром, но это будет тратить много энергии. Вместо этого используется LC-фильтр, потому что LC-фильтры (в идеале) не имеют потерь:

^{смоделируйте эту схему}

Наконец, добавлена ​​система управления с обратной связью, чтобы компенсировать отклонения компонентов и улучшить переходные характеристики преобразователя:

^{смоделируйте эту схему}

И это конвертер доллара. Распространенным вариантом является синхронный понижающий преобразователь, в котором диод заменяется другим полевым МОП-транзистором для уменьшения потерь проводимости. Практические преобразователи могут иметь другие функции, такие как защита от перегрузки или плавный пуск.

В понижающем преобразователе катушка индуктивности является частью LC-фильтра. Но иногда полезнее думать о нем как о реле энергии, особенно при рассмотрении других топологий преобразователя. Основная идея заключается в том, что когда МОП-транзистор включен, источник входного напряжения накапливает энергию в катушке индуктивности. Когда МОП-транзистор выключен, индуктор отдает эту энергию в нагрузку. Это легче всего увидеть в повышающе-понижающем преобразователе, где источник входного сигнала и нагрузка никогда не связаны напрямую:

^{смоделируйте эту схему}

Во всех случаях конденсатор служит для сглаживания выходного напряжения. Ток катушки индуктивности непостоянен, поэтому без конденсатора выходное напряжение будет меняться в течение цикла переключения. (В понижающих и повышающе-понижающих преобразователях индуктор даже не всегда подключен к нагрузке!) Это не демпфер, поскольку для индуктора всегда есть путь тока.

Может кто-нибудь интуитивно объяснить, что именно происходит в цепи LC. Как его следует анализировать?

Проанализируйте его в частотной области, потому что это фильтр: -

Для частот примерно до «1» выход в основном такой же, как и вход. Для более высоких частот выходной сигнал быстро уменьшается по мере увеличения частоты.

Например, между 10 и 100 выходная амплитуда падает на 40 дБ, и мы можем сделать довольно разумное приближение и использовать зеленую линию на графике выше. Если мы используем зеленую линию, мы можем сказать: -

• От постоянного тока до 1 выход постоянен
• От 1 до 100 выходной сигнал упал на 80 дБ.

Итак, используя практический пример, предположим, что понижающий регулятор переключается на частоте 100 кГц, а фильтр настроен на точку 3 дБ на частоте 1 кГц. Среднее значение сигнала переключения — это напряжение постоянного тока, которое мы хотим получить на выходе. Но мы также получаем некоторый шум от переключения. Если бы сигнал переключения был 10Vp-p, мы могли бы привести разумный аргумент, говоря, что он ослабится на 80 дБ по сравнению с низкими частотами.

Затухание 80 дБ при 10 Впик-пик составляет 1 мВпик-пик, поэтому при прямоугольной волне 10Впик-пик на входе на выходе будет значение постоянного тока, наложенное на несколько милливольт пульсаций. Выход постоянного тока, конечно, представляет собой среднее значение сигнала переключения, и если рабочий цикл составляет 50%, то среднее значение будет равно 5 В.