Лаборатория LTspice: Динамика тока и напряжения понижающего преобразователя

В предыдущей статье «Понимание импульсного регулирования: понижающий преобразователь» я представил и объяснил реализацию LTspice силового каскада понижающего импульсного стабилизатора, показанного на рисунке 1.

В этой статье будет исследована электрическая активность схемы относительно двух состояний переключателя — включено и выключено.

Когда сигнал управления переключением (VSWITCH на схеме) имеет высокий логический уровень, переключатель включен. Это позволяет току свободно течь от входного источника питания к правой части схемы (рис. 2).

Как видно на рисунке 2, ток питания протекает через переключатель S1 и дроссель L1 на пути к конденсатору C1 и нагрузочному резистору. Ток через индуктор нарастает, и индуктор «заряжается», т. е. количество энергии, запасенной в его магнитном поле, увеличивается. Ток дросселя распределяется на конденсатор и на нагрузку.

Обратите внимание, что на диаграмме не показано никакого тока, текущего в диод. Во включенном состоянии падение напряжения на ключе практически равно нулю, а следовательно, напряжение на диоде примерно равно VIN. Таким образом, диод смещен в обратном направлении и действует как разомкнутая цепь.

Давайте внимательно рассмотрим информацию, содержащуюся на многопанельном графике на рисунке 3, когда переключатель включен. Мы обсудим каждый подсюжет, начиная снизу и продвигаясь вверх.

Начиная с нижнего уровня, мы знаем, что находимся во включенном состоянии, поскольку напряжение (12 В) на диоде V(d1) равно входному напряжению.

Ток дросселя I(L1) увеличивается, и дроссель заряжается. Обратите внимание, что минимальное значение вертикальной оси на этом графике составляет 80 мА, а не 0 мА. Хотя переключатель полностью блокирует входной ток в выключенном состоянии, дроссель гарантирует, что значительная часть тока продолжает течь в правой части цепи.

Ток, текущий в конденсатор I(C1), также увеличивается. Конденсатор начинает заряжаться (и его напряжение увеличивается), когда I(C1) пересекает уровень 0 мА и становится положительным.

Ток нагрузки I(Load) стабилен при среднем значении тока дросселя. Как ток нагрузки остается таким стабильным, когда ток дросселя увеличивается и уменьшается с пульсацией 140 мА? Единственными двумя путями прохождения тока через индуктивность являются сопротивление нагрузки и конденсатор C1, поэтому ответ должен включать C1.

Если вы поразмыслите над графиком I(C1), вы увидите, что конденсатор постоянно компенсирует отклонения тока дросселя. Например, когда I(L1) равен 80 мА, I(C1) равен –70 мА, где отрицательный знак означает, что конденсатор выдает ток 70 мА. Нагрузка получает ток 80 мА от дросселя плюс 70 мА от конденсатора, в результате чего общий ток составляет 150 мА.

Однако, когда I(L1) равен 220 мА, I(C1) равен +70 мА, где положительный знак означает, что конденсатор поглощает ток 70 мА. Таким образом, нагрузка получает 220 мА – 70 мА = 150 мА.

Выходное напряжение V(vout), которое также является напряжением на конденсаторе, демонстрирует пульсации малой амплитуды вокруг своего среднего напряжения. На графике выходного напряжения я увеличил ось Y, чтобы выделить пульсации напряжения.

Обратите внимание, что напряжение начинает увеличиваться, когда ток конденсатора превышает 0 мА. Это имеет смысл: в данном моделировании положительный ток конденсатора — это ток, который течет в конденсатор и, следовательно, вызывает увеличение его напряжения.

Выходное напряжение примерно 6 В составляет примерно половину входного напряжения 12 В. Понижающий преобразователь действительно понизил напряжение, как и хотелось.

Когда переключатель S1 выключен, ток продолжает течь в правой части цепи, как показано на рисунке 4. Однако этот ток не может исходить от входного источника питания, а также от нигде. Вместо этого он циркулирует с помощью диода D1.

Когда переключатель выключается, дроссель L1 работает как источник, а не как нагрузка. Индуктор поддерживает ток, несмотря на потерю входного питания, но его ток постепенно снижается.