ทำไมตัวแปลงบูสต์ธรรมดาของฉันจึงให้แรงดันเอาต์พุตสูงสุดเช่นนี้

ฉันพยายามเข้าใจพื้นฐานของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์ผ่านการจำลองใน LTSpice

ฉันต้องการสร้างวงจรเพิ่มตัวแปลงที่ง่ายอย่างน่าสมเพชตามแบบจำลองการสอนที่ให้ไว้ในตำราเรียน แต่ฉันไม่สามารถทำสิ่งนี้ให้เป็นไปตามที่คาดไว้อาจเป็นเพราะในทางปฏิบัติแตกต่างกันมาก :)

นี่คือแผนผังไดอะแกรมที่ส่งออกจาก LTSpice (โปรดทราบว่ามันใช้สัญลักษณ์ ISO ส่วนประกอบด้านขวาคือตัวต้านทาน):

แรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายคือ 5V และฉันกำลังมองหาที่จะเพิ่มเป็น 12V ด้วยกระแสโหลด 1A หรือกำลังขับ 12W ฉันเลือกความถี่การสลับเป็น 20kHz โดยคณิตศาสตร์ของฉันฉันต้องการรอบหน้าที่ 0.583 ในการทำเช่นนี้ดังนั้นตรงเวลาควร 29.15 µs สมมติว่ามีประสิทธิภาพ 0.90 กำลังไฟฟ้าเข้าจะเป็น 13.34W และกระแสไฟเข้า 2.67A

ข้อสันนิษฐานที่อาจทำให้ฉันมีปัญหา:

• บางทีประสิทธิภาพอาจไม่สมจริงอย่างสิ้นเชิงสำหรับการออกแบบที่เรียบง่ายนี้และกระแสอินพุตของฉันสูงกว่าที่ฉันคาดไว้มาก
• ตอนแรกฉันไม่สนใจระลอกคลื่นมากนักดังนั้นฉันจึงเลือกตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุแบบสุ่ม
• บางทีความถี่สวิตชิ่งอาจน้อยเกินไป

ฉันรันการจำลองด้วยเวลา 10 มิลลิวินาที (ควรปรากฏในกราฟิก)

สิ่งที่ฉันคาดว่าจะเห็นคือแรงดันไฟฟ้า 5V ซึ่งอาจมีระลอกคลื่นเล็กน้อยที่จุด 2 (ระหว่างตัวเหนี่ยวนำและ NMOS) และแรงดันไฟฟ้าที่ 12V ที่มีระลอกที่จุด 3 (ระหว่างไดโอดและตัวเก็บประจุ)

สิ่งที่ออกมาคือความยุ่งเหยิงโดยรวม - ฉันได้แรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ 23V ซึ่งแกว่งรอบ 11.5V ที่จุด 2 และแรงดันไฟฟ้าสูงสุดต่ำกว่าเพียงแค่ 22.5V ที่แกว่งประมาณ 17V ที่จุด 3:

บนโหนกที่ความถี่เปลี่ยนของฉันอาจต่ำเกินไปฉันพยายามเพิ่มเป็น 200kHz (T = 5µs, Ton = 2.915µs) และตอนนี้ฉันได้อะไรมากกว่าที่ฉันต้องการซึ่งเป็นแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ 12.8V ที่ จุดที่ 2 (การสั่นระหว่างนั้นกับ 0V) และสูงสุดของ 12V ที่จุดที่ 3 (การสั่นประมาณ 11.8V):

แรงดันไฟฟ้ากระเพื่อมมีนัยสำคัญ ฉันพยายามเพิ่มขนาดของตัวเหนี่ยวนำเป็น 100µH แต่สิ่งที่ดูเหมือนจะมีผลกระทบก็คือการสั่นเริ่มต้น ดังนั้นฉันจึงเพิ่มความจุเป็น 10µF และดูเหมือนว่าจะทำงานความผันผวนของแรงดันไฟฟ้าที่จุดที่ 3 มีขนาดเล็กกว่ามาก ภาพด้านบนเป็นผลลัพธ์ด้วยตัวเก็บประจุ 10µF

ดังนั้นคำถามของฉันคือ:

• เกิดอะไรขึ้นกับแบบจำลองดั้งเดิมของฉัน
• 20kHz เป็นความถี่การสลับที่ไม่สมจริงอย่างสมบูรณ์ (ดูเหมือนแปลกว่าจะเป็น)
• ถ้าฉันต้องการความถี่สลับ 20kHz ฉันต้องเปลี่ยนอะไรเพื่อให้วงจรทำงานตามที่คาดไว้ ตัวเหนี่ยวนำที่ใหญ่กว่ามาก?
• เป็นเรื่องปกติหรือไม่ที่แรงดันไฟฟ้าด้านอินพุตจะคล้ายกับแรงดันไฟฟ้าที่ด้านเอาต์พุตเมื่อวงจรมีสถานะคงที่หรือไม่?
• ฉันควรใช้สมการขนาดตัวเก็บประจุ

การเพิ่มของคุณทำงานในโหมดการนำไฟฟ้าไม่ต่อเนื่องหรือ DCM (กระแสเหนี่ยวนำไปที่ศูนย์แต่ละรอบการสลับ) รอบการทำงานกลายเป็นหน้าที่ของการโหลดเช่นเดียวกับรอบการทำงาน หากคุณเพิ่มภาระค่าตัวเหนี่ยวนำหรือความถี่ในการสลับคุณจะไปถึงจุดที่คุณจะเห็นกฎระเบียบของคุณตามที่คุณคาดหวัง - ซึ่งเรียกว่า CCM หรือโหมดการนำความต่อเนื่อง กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำไม่ตกอยู่ที่ศูนย์ แต่ไหลอย่างต่อเนื่อง สูตรวัฏจักรหน้าที่ของคุณจะใช้ได้ที่นี่

20 kHz ช้ามากสำหรับการเพิ่มตัวแปลง 14A กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำสูงสุดก็ไม่สมจริง ตัวแปลงบูสเตอร์ PFC ส่วนใหญ่ทำงานจาก 70 ถึง 100 kHz โดยทั่วไปแล้วตัวแปลงความถี่ต่ำจะต้องมีตัวเหนี่ยวนำขนาดใหญ่กว่า หากคุณต้องการบรรลุ CCM ที่ 20kHz คุณจะต้องมีค่าตัวเหนี่ยวนำที่มากขึ้น ลอง 470uH ในแบบจำลองของคุณแล้วคุณจะเห็นแรงดันไฟฟ้าใกล้เคียงกับ 12V (หากคุณมีคอนโทรลเลอร์ในรุ่นของคุณมันจะปรับรอบการทำงานโดยอัตโนมัติเพื่อให้ได้ 12V โดยไม่คำนึงถึงการทำงานของ CCM หรือ DCM)

เนื่องจากตัวแปลงของคุณมีค่ามากใน DCM แรงดันไฟฟ้าสลับโหนดจึงมีลักษณะคล้ายกับแรงดันเอาต์พุต หากคุณเข้าใกล้ CCM มากขึ้นคุณจะเห็นภาพที่ชัดเจนขึ้น

สำหรับการจำลองนี้ตัวเก็บประจุมีขนาดที่สวิตช์แรงดันไฟฟ้าตรงเวลาที่เปลี่ยนไป (เกิดจากโหลด) ไม่มากเกินไป ในชีวิตจริงมีพารามิเตอร์อื่น ๆ ที่มีความสำคัญ (ความมั่นคงของวงโดยรวมกระแสระลอกและการจัดอันดับชีวิต) ที่คุณต้องพิจารณาพร้อมกับตัวเลือก MOSFET ที่เหมาะสมการกู้คืนแบบย้อนกลับและความนุ่มนวลของไดโอดเสริม ...

ด้วยค่าส่วนประกอบที่คุณเลือกมันเหมาะสมกว่าที่จะทำงานด้วยความถี่ 200kHz แม้ที่ 200kHz ฉันพบว่าตัวเก็บประจุเอาท์พุทที่เหมาะสมกว่าอาจมีค่ามากกว่า 33 หรือ 47uF

หากคุณกำลังใช้ตัวเหนี่ยวนำในอุดมคติโดยไม่ระบุความต้านทานอนุกรมที่เทียบเท่ากันฉันขอแนะนำให้คุณลองใช้ตัวเหนี่ยวนำที่สมจริงจากห้องสมุด LTSpice เช่น Coiltronics CTX10-3 อันนั้นมี DCR 0.028 โอห์ม ที่จะช่วยลดกระแสเริ่มต้นของกระแสเริ่มต้น

นอกจากนี้โปรดทราบว่าการออกแบบที่เหมือนจริงด้วยคอนโทรลเลอร์ VR แบบสวิตช์จริงจะมีคุณสมบัติการสตาร์ทแบบนุ่มนวลซึ่งจะค่อยๆเพิ่มวัฏจักรหน้าที่ของ PWM ให้อยู่ในระดับปฏิบัติการโดยไม่ต้องมีการกระตุ้นครั้งแรก นอกจากนี้ผู้ควบคุมจะตรวจสอบแรงดันขาออกผ่านตัวแบ่งและเปรียบเทียบกับตัวอ้างอิงเพื่อปรับรอบหน้าที่ PWM อย่างต่อเนื่องดังนั้นจึงควบคุมแรงดันเอาต์พุต

ฉันยังมีปัญหากับวงจรนี้ใน LTspice ฉันไม่คิดว่าปัญหาของฉันเหมือนกับของคุณ แต่นี่เป็นผลลัพธ์ที่ดีเพียงอย่างเดียวเมื่อค้นหา "ltspice boost converter" ดังนั้นฉันจะใส่คำตอบของฉันที่นี่

นี่คือสิ่งที่ฉันทำผิด:

1. ฉันใช้โมเดล "nmos" ทั่วไป มันไม่ทำงาน ฉันไม่รู้ว่าทำไม แต่ดูเหมือนว่ามันจะมีความต้านทานสูงมากแม้จะอยู่ในสภาพที่แปลก อย่างไรก็ตามวิธีการแก้ไขคือการวาง nmos ทั่วไปจากนั้นคลิกขวาแล้วคลิก "เลือกทรานซิสเตอร์ใหม่" จากนั้นเลือกหนึ่งรายการจากรายการเช่น IRFP4667

2. ตัวเก็บประจุตัวกรองของฉันใหญ่เกินไป ซึ่งหมายความว่าแรงดันเอาท์พุทใช้เวลาเพียงไม่กี่วินาทีในการจัดการ (ดีในชีวิตจริง แต่น่ารำคาญในการจำลอง)

นี่คือวงจรสุดท้ายของฉัน:

รายละเอียด (อาจไม่สำคัญ):

• ฉันให้แรงดัน 5V แหล่งที่มาความต้านทานแบบ 1 โอห์ม
• ตัวเหนี่ยวนำมีความต้านทานแบบอนุกรมที่ 6 โอห์ม
• พารามิเตอร์ของ Pulse Train คือ Ton = 8us, Toff = 2us (T = 10us; 100 kHz)

หากใครรู้ว่าทำไมรุ่น nmos มาตรฐานไม่ทำงานให้ฉันรู้!

คุณพูดว่า "ฉันต้องการสร้างวงจรตัวแปลงบูสเตอร์ธรรมดา ๆ ที่แสนวิเศษ" ฉันต้องการทำสิ่งเดียวกันและสร้าง Joule Thief ขึ้นใน LTSpice และฉันใส่มันลงในหมวดหมู่เดียวกัน - The Joule Thief เป็นตัวแปลงเพิ่มประสิทธิภาพการปรับตัวเองโดยแท้จริงซึ่งเป็นวงจรมือสมัครเล่น แต่ฉันได้เรียนรู้ มากเกี่ยวกับการเพิ่มตัวแปลงจากการเหยียบพารามิเตอร์ Joule Thief และเนื่องจากมันเป็นการปรับตัวเองมันจึงมักจะทำอะไรบางอย่างและให้ความรู้สึกว่าแต่ละด้านของวงจรมีผลต่อสิ่งต่าง ๆ อย่างไร นี่คือ Joule Thief เพื่อให้คุณยุ่งกับ:

นั่นเป็นวิธีหนึ่ง แต่...

หากคุณต้องการที่จะเชื่อมโยงการทดลองโจรจูลใน LTSpice มีสูตรเหมือนวิธีการมองขึ้นคู่ของ 34063 เอกสารข้อมูลทางเทคนิคเช่นนี้MC34063A จากเปิดกึ่ง มีตารางที่ให้สูตรตำรับอาหารสำหรับตัวแปลงบูสต์, ตัวแปลงบั๊กและตัวแปลงบูสต์คว่ำ

นี่คือแผนผังสำหรับบูสเตอร์แปลง:

และนี่คือตารางสูตรที่ต้องติดตามทีละขั้นตอนจากบนลงล่าง:

หากคุณเลือกที่จะเล่นกับสองทิศทางนี้ฉันเชื่อว่าคุณสามารถ "สอนตัวเอง" สัญชาตญาณบางอย่างที่คุณต้องการได้

ฉันหา MC34063 ไม่ได้ในไลบรารี LTSpice แต่คุณสามารถทำแบบฝึกหัดได้จากตารางจากนั้นดึง Joule Thief หรือชิปตัวแปลงส่วนเพิ่มจากไลบรารี่ LTSPice และเสียบส่วนประกอบที่สถานการณ์สมมติให้คุณ และควรใกล้เคียงกับสิ่งที่คุณต้องการแล้วคุณสามารถปรับแต่งมัน HTH