Forward from: С первой ревизии
Отрицательный ток в dc-dc. Плохо или нет?
Всем известно, что преобразователи делятся на синхронные и несинхронные. В синхронных используются два управляемых ключа, а в несинхронных один управляемый (транзистор) и один неуправляемый (диод). Современные источники в 99% будут синхронные, поскольку это значительно снижает потери на большом токе. Но к каким негативным последствиям может приводить эта топология?
Большинство синхронных контроллеров работают либо в режиме CCM (ток никогда не падает ниже 0), либо в FCCM (ток может упасть ниже 0). Некоторые имеют режим DEM (эмуляция нижнем ключом поведения диода). В этом режиме нет отличия между синхронным и несинхронным преобразователями.
Остановимся на FCCM. При низком токе нагрузки, из за переключения транзисторов на постоянной частоте, ток в дросселе на каждом цикле опускается ниже 0 (верхняя картинка). Весь этот ток проходит через нижний ключ и замыкается на землю. Почему это может быть плохо?
Рассмотрим негативный сценарий:
Малый ток нагрузки, режим FCCM:
1. Верхний ключ закрывается, нижний открывается, ток индуктора опускается ниже 0 и течет в нижний ключ (левая средняя картинка).
2. Ток дорастает до своего отрицательного максимума, нижний ключ закрывается, верхний ключ также закрыт (deadtime).
3. Отрицательному току некуда деться кроме как в диод верхнего транзистора, для этого он заряжает вывод SW (сток нижнего транзистора) до напряжения Vin + 0.6B, причем делает это очень быстро, пытаясь замкнуться через контур Vin.
Какие последствия?
1. Часто вход вашего преобразователя формирует другой преобразователь. Не все источники умеют потреблять ток (а не только выдавать). Также, если входной источник слабый, на его выходе мало емкости, подобный импульс может вывести его из строя.
2. Быстрый заряд вывода SW до Vin + Vd создает ненужные осцилляции и помехи на стоке нижнего транзистора, что потенциально может приводить к его деградации (все зависит от скорости транзистора и паразитной индуктивности).
3. Потенциально нижний ключ может перегреться из за отрицательного тока (очень редко).
4. Если у контроллера есть измерение и ограничение отрицательного тока, при работе на малой нагрузке + FCCM, защита может сработать, отключив преобразователь.
5. КПД системы оказывается ужасный, тк большинство энергии (относительно малого тока нагрузки) уходит на нагрев ключей.
Звучит страшно, но на деле большинство пунктов редко реализуются, однако знать о всех этих вещах явно полезно. Потенциально избежать их можно работая в режимах предназначенных для широкого диапазона нагрузок (DEM, Burst, Pulse skip итд). На нижней картинке как раз приведено сравнение этих режимов, где FFCM явно проигрывает.
Всем известно, что преобразователи делятся на синхронные и несинхронные. В синхронных используются два управляемых ключа, а в несинхронных один управляемый (транзистор) и один неуправляемый (диод). Современные источники в 99% будут синхронные, поскольку это значительно снижает потери на большом токе. Но к каким негативным последствиям может приводить эта топология?
Большинство синхронных контроллеров работают либо в режиме CCM (ток никогда не падает ниже 0), либо в FCCM (ток может упасть ниже 0). Некоторые имеют режим DEM (эмуляция нижнем ключом поведения диода). В этом режиме нет отличия между синхронным и несинхронным преобразователями.
Остановимся на FCCM. При низком токе нагрузки, из за переключения транзисторов на постоянной частоте, ток в дросселе на каждом цикле опускается ниже 0 (верхняя картинка). Весь этот ток проходит через нижний ключ и замыкается на землю. Почему это может быть плохо?
Рассмотрим негативный сценарий:
Малый ток нагрузки, режим FCCM:
1. Верхний ключ закрывается, нижний открывается, ток индуктора опускается ниже 0 и течет в нижний ключ (левая средняя картинка).
2. Ток дорастает до своего отрицательного максимума, нижний ключ закрывается, верхний ключ также закрыт (deadtime).
3. Отрицательному току некуда деться кроме как в диод верхнего транзистора, для этого он заряжает вывод SW (сток нижнего транзистора) до напряжения Vin + 0.6B, причем делает это очень быстро, пытаясь замкнуться через контур Vin.
Какие последствия?
1. Часто вход вашего преобразователя формирует другой преобразователь. Не все источники умеют потреблять ток (а не только выдавать). Также, если входной источник слабый, на его выходе мало емкости, подобный импульс может вывести его из строя.
2. Быстрый заряд вывода SW до Vin + Vd создает ненужные осцилляции и помехи на стоке нижнего транзистора, что потенциально может приводить к его деградации (все зависит от скорости транзистора и паразитной индуктивности).
3. Потенциально нижний ключ может перегреться из за отрицательного тока (очень редко).
4. Если у контроллера есть измерение и ограничение отрицательного тока, при работе на малой нагрузке + FCCM, защита может сработать, отключив преобразователь.
5. КПД системы оказывается ужасный, тк большинство энергии (относительно малого тока нагрузки) уходит на нагрев ключей.
Звучит страшно, но на деле большинство пунктов редко реализуются, однако знать о всех этих вещах явно полезно. Потенциально избежать их можно работая в режимах предназначенных для широкого диапазона нагрузок (DEM, Burst, Pulse skip итд). На нижней картинке как раз приведено сравнение этих режимов, где FFCM явно проигрывает.