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Por que uma fonte de alimentação chaveada estável ainda oscila?

Uma fonte de alimentação chaveada (SMPS) perfeitamente estável ainda pode oscilar devido à sua resistência negativa na entrada. O SMPS se parece com uma pequena resistência negativa de sinal na entrada. Juntamente com a indutância de entrada e capacitância na entrada, pode formar um circuito de oscilação não amortecido. Este artigo discute a análise e solução do problema. LTspice® é usado para as simulações.

A função de um regulador de modo de comutação é converter a tensão de entrada em uma tensão de saída constante regulada da forma mais eficiente possível. Existem algumas perdas neste processo e a eficiência é medida como

Podemos assumir que o regulador mantém o VOUT constante e a corrente de carga IOUT é considerada uma constante e não uma função do VIN. A Figura 1 mostra o gráfico IIN em função do VIN.

Na Figura 2, desenhamos a tangente no ponto de operação 12 V. A inclinação da tangente será igual à pequena variação da corrente do sinal em função da tensão no ponto de operação.

A inclinação da tangente pode ser considerada como a resistência de entrada RIN ou a impedância de entrada RIN = ZIN (f = 0) do conversor. O que acontece com a impedância de entrada para frequências f > 0 deixamos para uma discussão posterior neste artigo. Por enquanto, assumimos sua constante também sobre a frequência ZIN (f) = ZIN (f = 0). A observação mais interessante é: esta pequena resistência de entrada de sinal é negativa, pois a inclinação é negativa. Se a tensão de entrada aumenta, a corrente diminui e vice-versa.

Como ponto de partida, podemos observar o circuito da Figura 3 onde o SMPS, juntamente com sua capacitância de entrada e indutância de entrada na alimentação, forma um circuito Q LC alto amortecido por uma resistência negativa. Se a resistência negativa dominar o circuito, ele se torna um oscilador que oscilará sem amortecimento próximo à frequência de ressonância. Na prática, não linearidades na oscilação de sinal grande afetarão a frequência de oscilação e sua forma de onda.

O indutor deste circuito pode ser a indutância do filtro de entrada ou a indutância dos cabos. Para tornar o circuito estável, você precisa de resistências positivas para dominar a resistência negativa para tornar o circuito amortecido. Isso é problemático porque você não deseja que a resistência em série do indutor seja alta. Isso aumentaria a dissipação de calor e reduziria a eficiência. Você também não quer que a resistência em série do capacitor seja alta porque a ondulação de tensão aumentará.

Ao projetar seu sistema de alimentação, aqui estão algumas perguntas que podem surgir:

Se assumirmos que existe apenas um elemento ativo no circuito de entrada atuando como uma resistência negativa, podemos analisar a impedância que vemos olhando diretamente para a entrada do SMPS.

Se a parte real da impedância for > 0 sobre a frequência, o circuito é estável, presumindo que o próprio loop de controle SMPS seja estável. A análise pode ser feita analiticamente ou por simulação. A simulação pode ser facilmente usada mesmo se o circuito de entrada tiver muitos elementos enquanto o projeto analítico for mais difícil. Começaremos com a simulação usando LTspice.

Comece calculando a aproximação de primeira ordem da resistência negativa por derivação da fórmula

Se a potência de entrada de um conversor for de 30 W, então, em 12 V, ele fornecerá a resistência –122/30 Ω = –4,8 Ω. O filtro de entrada consiste em um filtro LC. Presumindo que a entrada seja alimentada por uma fonte de alimentação ôhmica baixa, o circuito equivalente pode ser simplificado e reduzido a um exemplo esquemático na Figura 4 com uma fonte ideal de 0 Ω.

Se adicionarmos uma fonte de corrente à simulação, podemos calcular a pequena impedância do sinal na entrada como V(IN)/I(I1). Isso é facilmente simulado no LTspice.

Como podemos ver no gráfico de impedância, há um pico de ressonância em cerca de 23 kHz. A fase da impedância vai para a faixa de 90° < fase <270° em torno da frequência de ressonância do circuito LC, o que significa que a parte real da impedância é negativa. Também podemos plotar a impedância em coordenadas cartesianas e ver a parte real diretamente. Também é notável que a parte real fica muito grande (–3 Ω) na ressonância devido ao alto Q.