스위치

안정적인 스위치 모드 전원 공급 장치가 여전히 진동하는 이유는 무엇입니까?

완벽하게 안정적인 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS)는 입력의 음 저항으로 인해 여전히 진동할 수 있습니다. SMPS는 입력에서 작은 신호 음의 저항처럼 보입니다. 입력 인덕턴스 및 입력 커패시턴스와 함께 감쇠되지 않은 발진 회로를 형성할 수 있습니다. 이 기사에서는 문제의 분석과 해결 방법에 대해 설명합니다. 시뮬레이션에는 LTspice®가 사용되었습니다.

스위치 모드 조정기의 기능은 입력 전압을 조정된 일정한 출력 전압으로 최대한 효율적으로 변환하는 것입니다. 이 프로세스에는 약간의 손실이 있으며 효율성은 다음과 같이 측정됩니다.

레귤레이터가 VOUT을 일정하게 유지하고 부하 전류 IOUT은 VIN의 함수가 아닌 상수로 간주된다고 가정할 수 있습니다. 그림 1은 VIN의 함수로서 IIN 플롯을 보여줍니다.

그림 2에서는 동작점 12V에서 접선을 그립니다. 접선의 기울기는 동작점에서 전압의 함수로서 작은 신호 전류 변화와 같습니다.

접선의 기울기는 컨버터의 입력 저항 RIN 또는 입력 임피던스 RIN = ZIN(f = 0)으로 간주될 수 있습니다. 주파수 f > 0에 대한 입력 임피던스는 어떻게 됩니까? 이 기사의 나중 논의를 위해 남겨두겠습니다. 지금은 주파수 ZIN(f) = ZIN(f = 0)에 대해서도 상수를 가정합니다. 가장 흥미로운 관찰은 기울기가 음수이므로 이 작은 신호 입력 저항이 음수라는 점입니다. 입력 전압이 증가하면 전류는 감소하고 그 반대도 마찬가지입니다.

시작점으로, SMPS가 피드의 입력 커패시턴스 및 입력 인덕턴스와 함께 네거티브 저항에 의해 감쇠되는 높은 Q LC 회로를 형성하는 그림 3의 회로를 살펴볼 수 있습니다. 음의 저항이 회로를 지배한다면 이는 공진 주파수에 가깝게 감쇠되지 않은 채 진동하는 발진기가 됩니다. 실제로, 대신호 발진의 비선형성은 발진 주파수와 파형에 영향을 미칩니다.

이 회로의 인덕터는 입력 필터의 인덕턴스일 수도 있고 케이블의 인덕턴스일 수도 있습니다. 회로를 안정적으로 만들려면 회로를 감쇠시키려면 음의 저항을 지배하는 양의 저항이 필요합니다. 인덕터의 직렬 저항이 높아지는 것을 원하지 않기 때문에 이는 문제가 됩니다. 이는 열 방출을 증가시키고 효율성을 감소시킵니다. 또한 전압 리플이 증가하므로 커패시터의 직렬 저항이 높아지는 것을 원하지 않습니다.

전원 공급 장치 시스템을 설계할 때 발생할 수 있는 몇 가지 질문은 다음과 같습니다.

입력 회로에 부저항으로 작용하는 활성 요소가 하나만 있다고 가정하면 SMPS의 입력을 직접 살펴보면서 보이는 임피던스를 분석할 수 있습니다.

임피던스의 실제 부분이 주파수에 대해 >0이면 SMPS 제어 루프 자체가 안정적이라고 가정하여 회로가 안정적입니다. 분석은 분석적으로 또는 시뮬레이션을 통해 수행할 수 있습니다. 입력 회로에 요소가 많아도 시뮬레이션을 쉽게 사용할 수 있지만 분석 설계는 어렵습니다. LTspice를 사용하여 시뮬레이션을 시작하겠습니다.

다음 공식을 도출하여 음저항의 1차 근사치를 계산하는 것부터 시작합니다.

컨버터의 입력 전력이 30W인 경우 12V에서 저항은 –122/30Ω = –4.8Ω이 됩니다. 입력 필터는 LC 필터로 구성됩니다. 입력이 낮은 옴 전원 공급 장치에 의해 공급된다고 가정하면 등가 회로는 단순화되어 이상적인 0Ω 공급 장치를 갖춘 그림 4의 회로도 예시로 요약될 수 있습니다.

시뮬레이션에 전류 소스를 추가하면 입력의 소신호 임피던스를 V(IN)/I(I1)로 계산할 수 있습니다. 이는 LTspice에서 쉽게 시뮬레이션됩니다.

임피던스 그래프에서 볼 수 있듯이 약 23kHz에서 공명 피크가 나타납니다. 임피던스의 위상은 LC 회로의 공진 주파수 부근에서 90°< 위상 <270° 범위에 들어가며, 이는 임피던스의 실수부가 음수임을 의미합니다. 또한 데카르트 좌표로 임피던스를 플롯하고 실제 부분을 직접 볼 수도 있습니다. 높은 Q로 인해 공진에서 실제 부분이 상당히 커진다(-3Ω)는 점도 주목할 만합니다.