Физику эл-м полей объяснять не надо, не пойму. Меня интересует, работа нагнетателя в импульсном блоке, повышающем (boost) напряжение. Кто не знает, что это такое, может заглануть к Максиму на туториал. Один конец катушки соеденён с входм питания, на другом - ключ и прямосмещённый диод, эта точка называется "ключевая" или "ключём". На другом конце диода - повышеное выходное напряжение, отфильтрованное кондёром. Замыкане ключа на землю позволяет раскручивать катушку.

В стационарном режиме, когда ключ долгое время разомкнут и ток через катушку не идёт, на обоих концах катушки имеем одинаковое (входное) напряжение. Иначе, если бы напряжение на концах катушки различалось, это вызывало бы в ней ток и режим бы был нестабильный. Приступим к работе. Замыкаем ключ на землю, ждём некоторое время пока в индуктор набирает обороты, и вновь отключаем катушку от земли. Ток, протекающий через катушку протолжает гнать заряды со входа +фпитания на ключ и диод. Напряжение на диоде моментально превышает U выходное и ток зарядов вываливает в выходной кондёр. При этом, напряжение на ключвом выводе катушки больше чем на входном. Через короткое время ток спадает до нуля... И что? Это и есть мой вопрос.

По-идее, ток через катушку должен оставаться нулевым до следующего замыкания ключа. Но отсутствие тока подразумевает нулевую разницу давлений на концах индуктора, поскольку любая разница неизбежно вызывает ток. Но у нас-то напряжение на одном конце Uвх, а на другом Uвых. Значит, ток будет, но какой? Видать, на ключе какая-то паразитная ёмкость, заряды оттуда потекут на вход, погонят катушку в противофазу, и быстро закончатся - на ключе получим "минус", ток опять потечёт в прямом направлении. Короче, приходим к колебаниям. Это норма в импульсном блоке?

Интерес мой отнюдь не праздный. Пробовал собрать импульсный повышающий блок на LM5000, вот что вышло - полюбуйтесь на колебания на свиче. Это из-за них проклятых такая лажа в обратной связи и нихрена не работает? Ужо больно точно звон в ОС повторяет колебания катушки, которые я попытался разобрать в данной теме. Примечательно то, что пульсации, приследующие импульс свича, исчезают при увеличении индуктивности катушки.

Есть ли тут люди способные описать надлежащее поведение цепи?

Uвых. _после диода_. До диода - паразитная емкость. После окончания "разряда" индуктивности ток через индуктивность в обратную ( и через некоторое время в прямую ) сторону идет, но его источником является не выходное напряжение, а заряженная паразитная емкость. Имеем классическую картинку: параллельный резонансный контур ( выход не влияет, энергии в контуре для открывания диода не хватает ).

Ага. Значит параллельно катушке. Я-то голову ломал, куда кондёр воткнуть для моделирования паразита. Всё же интересно, почему колебания исчезают при увеличении индуктивности (я последовательно ещё дюжину катушек присобачил)?

Скажите-ка теперь, пожалуйста, с этим паразитом бороться надо? Почему он на делителе ОС оказывается, ведь на выходе этих колебаний нема? Поглядите в туториале, какие там графики тока на катушке - идеальные треугльники, никаких качелей туда-сюда. Хотя реальные осциллограммы, которые удалось в интернете отыскать тоже демонстрируют звон. Почему изготовители импульсных регуляторов нигде не пишут про гармонические колебания, что с ними делать?

Последовательное включение нескольких катушек приводит к увеличению индуктивности. Поэтому наиболее вероятной причиной пропадания колебаний является переход преобразователя в режим непрерывных токов дросселя (переход из дисконта в континус).

Пишут. В документации на ШИМ контроллеры все расписано. Бороться с ними не нужно. При малой нагрузке так и должно быть (режим "дисконт"). При повышении нагрузки будут прямоугольные импульсы ("континус"). Если, конечно, все правильно расчитано.
Но можно и не считать - просто в лоб собрать по типовой схеме. Если, конечно, параметры нагрузки и источника близки к типовым.

Индуктивность сверх оптимума увеличивать нехорошо, т.к. во избежание насыщения сердечника придется увеличивать его размеры.


Либо неправильно собрана схема, либо неверные измерения (земля плохая и т.п.). Там напряжение должно быть пилообразной (треугольной) формы.

Пока через катушку течет ток, напряжение на одном конце Uвх, а на другом Uвых. Когда энергия, запасенная индуктором, иссякнет, то ток прекратится, и (если не учитывать паразитные емкости) напряжение на одном конце будет Uвх, и на другом тоже Uвх. И так до тех пор, пока ключ не будет снова замкнут.


Паразитные емкости есть везде, и в ключе, и в диоде, а уж в самой катушке - вообще до фига. В данной схеме сумму всех этих паразитных можно заменить одной эквивалентной, соединенной параллельно ключу.
После того как индуктивность израсходует всю свою запасенную энергию на заряд нагрузки, ток через индуктивность прекратится, диод закроется. Однако чтобы схема пришла в состояние равновесия, необходимо еще каким-то образом рассеять энергию, запасенную в паразитной емкости. Ведь в момент когда ток через катушку прекратился, на этой емкости Uвых, а в состоянии равновеся должно быть Uвх. Разность Uc=Uвых-Uвх, запасенная энергия E=C*(Uc^2)/2 И ключ закрыт, и диод тоже закрыт, деваться этой энергии некуда, и она начинает циркулировать по LC-контуру, образованному индуктивностью катушки и паразитной емкостью. Это обычное дело в импульсных БП.

Как правило никакого особого вреда этот звон не приносит, хоть на осциллограмме и выглядит страшновато с непривычки.



Видно, что звон постепенно затухает, но не успевает закончиться до начала следующего цикла.

Чтоб побыстрее придушить этот звон, можно параллельно ключу поставить демпфер, состоящий из последовательно включенных конденсатора и резистора. Этот резистор оказывается включен паралелльно паразитному LC-контуру, на нем будет рассеиваться паразитная энергия. Правда, полезная энергия на нем тоже будет рассеиваться зазря, так что обычно никто не заморачивается этот звон гасить.


Нет, этот звон сравнительно безвредный. Самый большой от него вред состоит в том, что в момент замыкания ключа напряжение на ключе может оказаться больше, чем Uвх, поэтому получится чуть больше ВЧ помех, больше динамические потери в ключе, и т.п. Там, где это становится критично, ставят демпфер, несмотря на дополнительные потери от него.

На обратную связь этот звон влиять не должен, т.к. ОС берется не с ключа, а с нагрузки (после диода), где этого звона и в помине нет.


Левый конец индуктивности подключен к Uвх, нижний конец эквивалентной паразитной индуктивности подключен к земле (в нюансы для простоты вдаваться не буду). LC-контур, в котором циркулирует звон, оказывается замкнут через (нулевое) выходное сопротивление источника питания. На практике - через ближайшую к этому контуру емкость на входном питании. Если эта ближайшая емкость стоит далеко от катушки и ключа, то контур, по которому циркулирует звон, будет большим. Геометрические размеры любых таких контуров с токами надо стремиться делать минимальными. Циркулирующие в них токи создают падение напряжения на земляных проводниках. Если их не учитывать при разводке, то эти вредные напряжения могут пролезать в ОС.

Хм. Мне казалось, что прерывность тока в катушке зависит от нагрузки. То есть малая нагрузка означает низкий коэффициент заполнения импульсной последовательности (duty cycle), в пределе - нулевое время разгона катушки за цикл. Понятно, что за малое время катушка не успеет набрать оборотов, а более высокое тормозящее напряжение весь оставшийся цикл непременно её остановит. Не вижу связи с индуктивностью.



У наших катушек вообще никакого сердечника нету 8(


Мне казалось в петлю ОС полагается долю напряжения, получаемого на выходе, подавать. А наше устройство совсем не пилу должно вырабатывать...

Непрерывность связана с тем, успевает ли вся накопленная в катушке энергия уйти в нагрузку пока ключ закрыт. Если успевает - это режим прерывистых токов, т.к. есть периоды времени, когда ток в катушке равен нулю, форма тока - треугольная с паузами. Если не успевает - это режим непрерывных токов, ток в катушке никогда не падает до нуля, форма тока треугольная без пауз, с "подставкой". Граничный режим между непрерывным и прерывистым - это когда форма тока в катушке треугольная, но "подставка" нулевая.


Тогда лучше увеличить, чтобы перейти в режим непрерывных токов. Как buck так и boost идеальный вариант - бесконечно большая индуктивность, тогда через нее течет один и тот же ток, и когда ключ включен, и когда выключен.

Сверху всё написано правильно. Только успеет или нет ток упсть до 0 зависит от отношения между временами D и T-D. При чём тут индуктивность? При бесконечной индуктивности токов вообще не будет, поскольку di/dt = v/L = v/inf = 0. Индуктивность, как я понимаю, просто должна быть выше некоторого порога, дабы предотвратить насыщение катушки. Это такое состояние когда ток превышает критическое значение и индуктивность "пропадает" совершенно. Но проблема насыщения катушки не имеет касательства к прерывному режиму её функционирования.

В пределе, когда индуктивность стремится к бесконечности, ток через нее постоянный, а от отношения времен (т.е. скважности) зависит величина этого тока. Меняя скважность, можно регулировать величину тока, и тем самым регулировать напряжение в нагрузке.

При конечной индуктивности ток в катушке может заметно меняться. Тем не менее, в режиме непрерывных токов, если изменения тока в катушке сравнительно невелики (процентов 10-20), можно для упрощения расчетов полагать, что ток постоянный. Тогда все что нужно - это уравнения баланса токов и напряжений, а погрешность расчетов все же будет невелика.

В режиме прерывистых токов, чтобы соблюсти баланс, приходится закачивать в индуктивность большой пиковый ток. Из-за этого будут больше потери в проводах, в ключе, в диоде, и пр. "прелести", а расчет существенно усложняется, т.к. пренебречь изменениями тока уже никак нельзя.


Неверно. Из этой формулы следует, что при бесконечной индуктивности изменения тока не будет, и ничего более. Постоянный же ток может быть каким угодно.


А вот насыщение катушки с ее индуктивностью никак не связано. Вообще никак. Насыщение связано со свойствами сердечника, если он есть. Катушки без сердечника не насыщаются, какую бы индуктивность они ни имели.

Ого, "регулировать величину тока", оставляя её постоянной? Может всё-таки скважностью меняем кинетическую энергию, а не скорость бесконечно-большой массы? Практически, индуктивность всегда конечна и только поэтому скважность всегда меняет ток.




Может параметр D - следствие разности Uвых/Uвх? Не припомню, чтоб в интегральные схемки PWM регуляторов закладывалась индуктивность для правильного их функционирования. Ага, понял, при достаточно большой ёмкости и продолжительном D ток не успеет опуститься до нуля и будет расти цикл от цикла пока не зафиксируется на некоторой отметке.



... и попробуйте сдвинуть бесконечную индуктивность с нулевого тока ... Бесконечная индуктивность, через которую уже течёт ток, называется вечным двигателем.



Чем меньше индуктивность, тем больше ток. Большой пиковый ток приводит к насыщению каушки и система перестаёт функционировать. Не помню где об этом читал, но тут даётся пример рассчёта оного. Поэтому увеличение индуктивности уменьшает вероятность насыщения. Или тут кривая зависимости индуктивности от тока. Насыщением называется падение индуктивности с током.

При одинаковых сердечниках катушка с большей индуктивностью насытится меньшим током.

Катушка без сердечника не насыщается. Насыщается сердечник в катушке.
Катушка без сердечника в импульсном стабилизаторе - экзотика.

Расчитывать индуктивность катушки нужно исходя из номинального тока нагрузки и частоты переключений ключа, а размеры катушки - от максимального тока через нее.
При применении покупных дросселей рассчитывать размер сердечника не нужно. Достаточно выбрать дроссель с необходимым максимальным рабочим током.
Черезмерная индуктивность дросселя приводит у увеличению его размеров и увеличению времени установки выходного напряжения при включении.

ЗЫ:

Нет, просто процесс установился бесконечное время назад.
А вообще, бесконечной индуктивности и не бывает.

Вопрос к автору: из каких соображений используются катушки индуктивности без сердечников? Полагаю, что именно из-за этого все (или большинство) проблем.
1. У такой катушки самое плохое из возможных соотношение паразитной емкости к рабочей индуктивности - отсюда большие колебания при выключении (добротность контура высокая).
2. Для получения той же индуктивности катушка без сердечника должна иметь в сотни раз больше витков, чем катушка с сердечником.
3. Катушка без сердечника в преобразователе является очень мощным источником электромагнитных помех (все силовые линии магнитного поля катушки пронизывают окружающее пространство, в то время как в катушке с сердечником подавляющая их часть замыкается внутри сердечника). Поэтому такая катушка должна наводить в контуре обратной связи сильную помеху, которая может препятствовать ее работе. Думаю, что даже в шупах осциллографа помеха может наводиться немаленькая.

Поэтому настоятельная рекомендация - посмотреть в сторону индуктивностей с сердечниками (феррит с зазором или что-нибудь стандартное). Правда, вот там придется оглядываться на насыщение - но зато картинки станут более похожи на то, что приводят в руководствах.

Ага, установился бесконечное время назад и будет работать двигателем бесконечно долго... Теперь дайте определение вечного двигателя.

Угу. Считая ("оставляя") ее постоянной на коротких интервалах времени. Тем не менее, на больших интервалах величину тока можно менять.

Не только (вернее - не столько), скважность будет сильно зависеть от нагрузки. При малых нагрузках система перейдет в прерывистый режим.


Угу. Когда в схеме наступит баланс мощностей, токов и напряжений. При нормальных нагрузках желательно, чтобы баланс наступил в непрерывном режиме.


Бесконечная индуктивность есть абстракция. Правильно оперировать абстрактными понятиями помогает образование и навык, а практическая сметка (типа "смекалка темной головы") в этом отношении частенько подводит.


Неверно. Система перестаёт функционировать, если она дурно расчитана и/или сделана тяп-ляп. Если больше пиковый ток, то надо выбрать такую катушку, сердечник которой (если он есть) не будет входить в насыщение при этом токе.


Увеличение или уменьшение индуктивности как таковой на "вероятность насыщения" никак не влияет. Эта самая "вероятность насыщения" возрастает только и исключительно из-за того, что разработчик что-то не учел, забыл, или вообще не понимает, как должно работать его устройство и какова причинно-следственная связь происходящих в нем явлений.

Режим - следствие D (коротенькое D -> прерывистый режим).






Вау, Вы умеете управляться с бесконечностями?! Даже гении математики не разберуться, способны ли они на актуализацию абстрактных бесконечностей.




Правильно ли я понимаю, что сперва надо вычислить пиковый ток и только после этого приступить к выбору катушки? Как я могу вычислить ток без катушки (т.е. не зная индуктивности?)





Венциль учила, что рассчёт исключающий вероятность не имеет "познавательной ценности" Поскольку он справедлив токлько для данной катушки, при данной температуре, влажности, давлении, ключе, ... магнитного поля Земли, ориентации Земли в пространстве изотропной нашей Вселенной, ... А еслиб всё знал, чего бы мне на форуме делать.

Что-то я совсем потерял нить разговора... Ответы мне понятны, а вот вопросы автора темы - не совсем. Точнее - мне уже совсем непонятно, что мы на данный момент обсуждаем. Методика расчета рассматриваемоно преобразовательного устройства достаточно проста и неоднократно описана практически во всех книжках по преобразовательной технике. Причины колебаний тоже рассмотрели достаточно подробно, равно как и пути борьбы с ними. Какие еще проблемы?

Да

Знать индуктивность - это еще не значит "выбрать катушку".

При расчете ИИП на начальных этапах используются идеальные (абстрактные) элементы. При этом предполагается, что дроссели не насыщаются, транзисторы не пробиваются, электролиты не взрываются, потери в элементах учитываются грубыми "интегральными" поправочными коэффициентами, и т.п.

Когда из расчетов становятся видны требуемые характеристики идеальных компонентов, тогда и выбираются реальные компоненты:
-- катушки нужной индуктивности, выдерживающие расчетный ток без насыщения и излишнего нагрева, и пр.
-- конденсаторы нужной емкости, имеющие требуемое внутреннее сопротивление, рабочее напряжение, и пр.
-- транзисторы, способные коммутировать нужные токи и напряжения, и пр.
-- и так далее.

Автор переваривает. А пока скажите, спад тока катушки, повсеместно представляемый как линейный, на самом деле ведь - косинус, только слегка приутюженный? Верно?

И да и нет. Верно, если отбросить ограничения приближенного расчета. Для приближенного расчета ( противоречие, конечно: как же тогда регулировать? ) считаем Uвых=const.

Вот об этом я и хотел поговорить. О выборе индуктивности.

Насколько я понял, существуют 2 принцыпиальные топологии: понижающая (buck) и повышающая (boost). В тарнсформаторном исполнении они называются прямо- и обратноходовые. Ключевое различие в количестве энергии закачиваемой затакт. Их принцып можно рассмотреть на примере насоса, накачивающего бочку. Прямоходовой накачивает до определённого давления и останавливается. Останавливается из-за того, что разница давлений между источником и внутри бочки выравниваются. Обратноходовой зачерпывает всегда одинаковое количество энергии из источника и запихивает в бочку не взирая на давление в ней. Он может быть опасен -- разорвёт бочку, если никто его не остановит. То есть ток прямоходового за 1 такт будет dI = (Vin-Vout)*T/L, если мы для простоты выбираем Vout за константу. Действие преобразователя можно сравнить с зарядом кондецатора через резистор, по экспоненте -- чем ближе выход к входу, медленне заряд за еденицу времени. У обратноходового dI = Vin * T/L. Правильно (без учёта гармоничеких эффектов, Vout=const)?

Я задумался над LC-фильтром, придумывая импульсный усилитель. На нагрузке нужно создавать напряжение в К раз больше входного по амплитуде по абсолютной велечине. Сначала топология типа buck показалась проще. Но как выбрать L и С? Ёмкость очевидно должна хранить столько энергии, чтобы пока не придёт следующая порция энергии, нагрузка заметно не снизила напряжение. Подозреваю, что это время порядка такта. На высокой громкости, напряжение будет спадать быстрее. Увеличиваться, как мы уже рассмотрели -- наоборот, чем ниже заряд кондентсатора, тем больше его приходит за период Т. Увеличение напруги на кондёре при этом также не должно заметно меняться. Какие есть соображения по поводу выбора LC? Как правильно решать задачу?

Да и обратноходовой -- не подарок. Несмотря на то что каждый такт он запасает постоянную энергию dE = V*T/L, фильтрующий кондентсатор принимает её по-разному в зависимости от имеющегося напряжения. Если оно равно нулю, то ток будет втекать и втекать, не ослабевая. Это должно вывзвать большой рост напряжения на конд-ре. Если же напряжение уже велико, то ток индуктора быстро спадёт, подём напр. будет значительно меньше. Это вследствие того, что энергия кондентсатора E = CU^2/2 пропорциональна квадрату U и добавка той же порции энергии на высоких напряжениях сопроваждается незначительным ростом U. А нагрузка тем временем потребляет гораздо бОльшую мощность на высконих напряжениях U^2/R_load.

Можно предположить, что единственный способ подкачивать энергию так чтоб за такт напряжение на нагрузке повышалось на одинаковую величину -- заряжать фильтрующий постоянным током. Например два параллельных флэйбэка держат постоянный ток в своих индукторах. Пока один восстанавливается, другой -- отдаёт энергию в нагрузку. Только снова проблема: индуктивность катушек должна быть велика, чтоб ток не спадал на протяжении 1-го такта, пока заряжается конд-р в наихудшей ситуации (выходное напряжение -- max). Но большие индуктивности плохо поглащают энергию, поэтому в ситуации когда входное напряжение не велико источники тока не будут успевать восстанавливаться...

Существует ли учебник по фильтрам импульсных усилителей?

Может ответ немного не в тему но посмотри квазирезонансные преобразователи - таже стандартная схема ШИМ но на входе ставится резонансный контур который дает возможность переключать ключ при нулевых токах.