Напряжение конденсатора в понижающем преобразователе и как он понижает напряжение

Может быть полезнее сосредоточиться на индукторе:

Сначала предположим, что он довольно большой и частота переключения высокая.

Теперь ток через индуктор будет оставаться довольно близким к постоянному и всегда в одном и том же направлении.

При включенном выключателе ток будет постепенно увеличиваться от:

При выключенном выключателе$V$становится$0 - V_{out}$(отрицательный) или, точнее,$-0.6-V_{out}$, так$\frac{dI}{dt}$отрицательна, и ток постепенно уменьшается.

И это почти все. (для доллара, работающего в CCM, режим непрерывного тока)

О, конденсатор - он просто помогает Vout оставаться близким к постоянному, несмотря на изменение входящего тока.

(Выключите слишком долго, и ток в конечном итоге упадет до$0$: математика для режима прерывистого тока, DCM, отличается.)

Представьте себе схему без конденсатора. Когда переключатель замкнут, ток будет течь от источника питания, через индуктор, через резистор, обратно к источнику питания.

Во время этой фазы ток через индуктор будет постепенно увеличиваться с течением времени. Индуктор накапливает энергию в своем магнитном поле.

Когда переключатель размыкается, индуктор становится источником тока, используя накопленную в нем энергию. Ток течет от катушки индуктивности через резистор, через диод обратно в катушку индуктивности.

На этом этапе ток через индуктор будет постепенно уменьшаться с течением времени.

Это означает, что ток через нагрузку представляет собой волну треугольной формы, возрастающую, когда переключатель замкнут, и падающую, когда переключатель разомкнут.

Таким образом, согласно закону Ома, напряжение на резисторе также будет иметь треугольную форму.

Конденсатор будет шунтировать переменную часть тока, оставляя только постоянный ток, проходящий через нагрузку, тем самым стабилизируя напряжение на нагрузке.

Чтобы было ясно, напряжение конденсатора (и, следовательно, резистора) не является полностью стабильным. Он увеличивается, когда конденсатор заряжается избыточным током в закрытой фазе переключателя, и снова снижается, когда конденсатор разряжается, обеспечивая дефицит тока в открытой фазе переключателя. Однако с правильным конденсатором эти пульсации можно сделать очень маленькими.

Катушки индуктивности, магнетизм, закон Ленца, L di/dt... все отлично. Но давайте ответим на исходный вопрос.

при размыкании переключателя появляется отрицательный всплеск

Мы должны понять это запутанное явление, прежде чем мы приступим к анализу цепей. Попытайтесь выяснить, как работает «Вор Джоуля» (блокирующий осциллятор), не зная этого.

На первом этапе работы схема фактически выглядит следующим образом:

Источник напряжения пропускает ток через катушку индуктивности. Ток течет от + к - через катушку индуктивности.

Как только переключатель размыкается, схема теперь выглядит так:

Катушка индуктивности действительно поменяла полярность! Из-за разрушающегося магнитного поля он сам стал источником напряжения! Ток по-прежнему течет от + к -, но поскольку катушка индуктивности теперь управляет цепью, для этого он течет по контуру.

Поскольку ток течет в одном направлении в обеих фазах работы, он никогда не пытается разрядить конденсатор. Это может сделать только нагрузка (R).

Самый простой способ — рассматривать понижающий преобразователь как генератор прямоугольных импульсов с низким импедансом, выдающий сигнал, переключающийся между входным напряжением и$V_{in}$и 0 В и усредненные по$LC$фильтр:

Интегральная схема обычно дает команду переключателю питания замыкаться и размыкаться в темпе, заданном часами. Время, в течение которого переключатель замкнут, является временем включения и маркируется$t_{on}$. В течение$t_{on}$выключатель питания замкнут и применяется$V_{in}$через диод. Катушка индуктивности намагничена, и в нагрузке циркулирует ток. Когда ключ размыкается, катушка индуктивности размагничивается, и диод начинает проводить ток, чтобы ток циркулировал в том же направлении. Напряжение на диоде в идеале падает до 0 В и сохраняется до следующего тактового цикла. В этом режиме мы рассматриваем ток в катушке индуктивности как непрерывный: он никогда не возвращается к 0 А в течение цикла переключения. Это называется режимом непрерывной проводимости или CCM. Учитывая этот режим, среднее напряжение, подаваемое на нагрузку идеальным понижающим преобразователем (без каких-либо потерь), таким образом, рассчитывается как:

Это, очевидно, очень упрощенная операция, и литература изобилует более подробными описаниями (вы можете посмотреть семинар, который я вел на конференции APEC здесь , или прочитать книгу , которую я написал по переключающим преобразователям). Итак, вы видите, что коэффициент заполнения$D$будучи ограниченным для понижающего преобразователя от 0 до 100%, формула$V_{out}=DV_{in}$может привести только к тому, что выходное напряжение будет ниже входного. Например, с источником 10 В и понижающим преобразователем, работающим в режиме непрерывной проводимости при коэффициенте заполнения 50 %, выходное напряжение равно$V_{out}=DV_{in}=10\times 5 = 5\;\mathrm{V}$