Diseño de fuente de alimentación: cómo los diagramas de Bode pueden ayudarlo a cumplir con los requisitos de comportamiento de control dinámico

Este artículo describe cómo se pueden usar los diagramas de Bode como una herramienta para evaluar rápidamente si el diseño de su fuente de alimentación cumplirá con los requisitos del comportamiento de control dinámico. Las fuentes de alimentación generalmente mantienen un voltaje de salida constante a través de un lazo de control. Este lazo de control puede ser estable o inestable. También se puede regular rápida o lentamente. En la mayoría de los casos, el lazo de control se puede describir utilizando un diagrama de Bode. Con él se puede ver inmediatamente la velocidad o lentitud del lazo de control y sobre todo la estabilidad de su regulación.

La Figura 1 muestra un controlador de conmutación típico con una topología reductora (buck). Convierte un voltaje de entrada más alto en un voltaje de salida más bajo. El objetivo es el voltaje de salida, VAFUERA, con la mayor precisión posible. Para ello, se integra un lazo de control en el circuito a través del pin de realimentación (FB). Detecta cambios de voltaje en VAFUERA. El lazo de control debe responder rápidamente para que VAFUERA vuelva a comprobar siempre con la mayor precisión posible. El voltaje de salida debe reajustarse cada vez que cambie el voltaje de entrada o la corriente de carga.

Figura 1. Un ejemplo de un regulador de conmutación que usa un lazo de control (en verde) para regular su voltaje de salida.

La Figura 2 muestra la curva de ganancia para el lazo de control en un diagrama de Bode. Da dos piezas importantes de información. Se puede leer la frecuencia a la que la ganancia es igual a 1, es decir, 0 dB. Para el bucle de control de la Figura 2, la llamada frecuencia de cruce se produce a unos 80 kHz. Como regla general, esta frecuencia no debe ser más de una décima parte de la frecuencia de conmutación establecida de la fuente de alimentación de conmutación. La violación de esta regla puede resultar en un comportamiento inestable. La segunda información clave que se muestra es el área bajo la curva de ganancia, es decir, la integral de la función. Cuanto mayor sea la ganancia de CC y la frecuencia de cruce, mejor podrá el lazo de control mantener el voltaje de salida a un nivel constante.

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Figura 2. Diagrama de Bode que muestra la ganancia del bucle de control con un punto de cruce de 0 dB a aproximadamente 80 kHz.

La figura 3 muestra la curva de fase en el diagrama de Bode. El valor más importante que se puede leer en este gráfico es el margen de fase. Es un valor que da una indicación de la estabilidad del lazo de control. El margen de fase se puede leer en la frecuencia de cruce obtenida del gráfico de ganancia (consulte la Figura 2). En el ejemplo que se muestra, el punto de cruce se encuentra en 80 kHz. Así, el margen de fase en la Figura 3 es de aproximadamente 60°. Los márgenes de grados por debajo de unos 40° se consideran inestables. El lazo de control está óptimamente sintonizado cuando el margen de fase está entre 40° y 70°. Hay un buen compromiso entre regulación rápida y buena estabilidad en este rango. Por encima de un margen de grado de 70°, los sistemas tienden a ser muy estables pero con una regulación muy lenta.

Figura 3. Curva de fase del lazo de control con un margen de fase de 60°.

Las hojas de datos de los controladores de transferencia generalmente no incluyen diagramas de bloques. Esto se debe a que el diseño depende demasiado del diseño del circuito. La frecuencia de conmutación utilizada, la elección de los componentes externos, como el inductor y el condensador de salida, y las respectivas condiciones de funcionamiento, como el voltaje de entrada, el voltaje de salida y la corriente de carga, pueden tener efectos significativos. Por esta razón, los diagramas de Bode a menudo se generan utilizando herramientas de cálculo como LTpowerCAD.®
o con herramientas de simulación como LTspice®. Con ellos puede determinar rápidamente si un circuito planificado puede cumplir con los requisitos de comportamiento de control dinámico.

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