Čo treba zvážiť v súvislosti s prepínacou frekvenciou

Spínané zdroje spínajú frekvenciu, ktorá je buď pevná, nastaviteľná alebo synchronizovaná s externými hodinami. Hodnota spínacej frekvencie určuje fyzickú veľkosť a podľa toho aj náklady na kondenzátory a tlmivky zdroja. Existuje trend smerom k vyšším spínacím frekvenciám, aby sa umožnilo navrhovanie kompaktných a lacných obvodov. Zabudované oscilátory v integrovaných obvodoch spínacieho regulátora sú zvyčajne špecifikované pre veľmi široké frekvenčné rozsahy v ich technických listoch. Napríklad monolitický IC prevodníka ADP2386 buck má záruku ±10% nastavenej spínacej frekvencie. Ostatné bežné integrované obvody spínacieho regulátora sú špecifikované na ±20 % alebo dokonca viac. Súprava ADP2386 s RT na spínaciu frekvenciu 600 kHz môže v extrémnych prípadoch prepínať pri 540 kHz a 660 kHz, vzhľadom na ±10% odchýlku spínacej frekvencie ADP2386. Obrázok 1. Konvertor ADP2386 buck s jeho spínacou frekvenciou nastavenou pomocou odporu RT. Táto možná odchýlka spínacej frekvencie celkovo o 20% musí byť zohľadnená pri navrhovaní obvodu, pretože špičkové prúdy cez induktor sa líšia v závislosti od skutočnej spínacej frekvencie. V dôsledku toho má zvlnenie prúdu induktora priamy vplyv na zvlnenie výstupného napätia. Obrázok 2 ukazuje vplyv spínacej frekvencie na zvlnenie prúdu induktora. Menovitá spínacia frekvencia 600 kHz je znázornená modrou farbou. Minimálna (540 kHz) spínacia frekvencia je zobrazená fialovou a maximálna (660 kHz) zelenou farbou. Pri nominálnom nastavení 600 kHz vidíme vrcholové zvlnenie prúdu 1.27 A, keď regulátor prepne na 540 kHz. Avšak pri rovnakom nastavení frekvencie 600 kHz môže spínací regulátor spínať aj pri 660 kHz, čo zodpovedá zvlneniu prúdu 1.05 A. V tomto prípade môže dôjsť k rozdielu zvlnenia prúdu cievky 220 mA v dôsledku odchýlok v prepínacia frekvencia z komponentu na komponent v obvode. To je v celom prípustnom rozsahu teplôt. Obrázok 2. Zvlnenie prúdu cievky od špičky k špičke ovplyvnené variáciou spínacej frekvencie. Nastavenie prúdového limitu spínacieho regulátora musí byť koordinované s týmto efektom. Špičkové prúdy musia byť dostatočne nízke, aby sa zabezpečilo, že žiadna existujúca nadprúdová ochrana nebude aktivovaná počas normálnej prevádzky. Všimnite si toho, že všetky ostatné variácie, ktoré môžu tiež nastať, ako napríklad zmeny hodnôt induktora a kondenzátora, neboli v tomto prípade brané do úvahy. Pre zvlnenie výstupného napätia poskytuje zodpovedajúca zmena zvlnenia prúdu hodnoty znázornené na obrázku 3. Obvod je navrhnutý tak, že pri spínacej frekvencii 4.41 kHz nastáva zvlnenie napätia 600 mV. Pre spínaciu frekvenciu 540 kHz je zvlnenie napätia 5.45 mV; pri 660 kHz je možné vidieť zvlnenie napätia 3.66 mV. Obrázok 3. Zmeny zvlnenia výstupného napätia v dôsledku zmeny frekvencie spínania v IC regulátora spínacieho režimu. Pre účely tohto príkladu je jedinou uvažovanou variáciou komponentu variácia spínacej frekvencie v rámci prípustného teplotného rozsahu. V praxi existuje mnoho ďalších premenných, napríklad odchýlky v skutočných hodnotách induktora a kondenzátorov. Tie ovplyvňuje aj prevádzková teplota. Dá sa však tiež predpokladať, že vo väčšine prípadov skutočné kolísanie spínacej frekvencie nedosiahne hraničné hodnoty ±10 %. Normálne sa správanie objaví okolo typickej hodnoty v strede určeného rozsahu. Na systematické zváženie všetkých dynamických premenných v napájacom zdroji poskytuje odpoveď analýza Monte Carlo. Tu sa variácie rôznych komponentov a premenných parametrov vážia podľa ich pravdepodobnosti výskytu a navzájom súvisia. Analýzy Monte Carlo je možné vykonávať pomocou voľne dostupného simulačného softvéru LTspice® od Analog Devices. Ďalšie informácie o tom, ako meniť parametre v simulácii LTspice, nájdete v článku „Analýza obvodu v najhoršom prípade s minimálnym počtom simulácií“ od Gabina Alonsa a Josepha Spencera.

Zanechajte správu 

zoznam správ