Estou tentando entender os fundamentos da fonte de alimentação em modo de comutador por meio de uma simulação no LTSpice.
Eu queria construir um circuito conversor de impulso incrivelmente simples, seguindo um modelo de ensino frequentemente fornecido em livros didáticos, mas não consigo fazer com que tudo se comporte da maneira que eu esperava, provavelmente porque na prática as coisas são muito diferentes :)
Aqui está o diagrama esquemático exportado do LTSpice (observe que ele usa símbolos ISO; o componente à direita é um resistor):
A tensão de alimentação é de 5V e pretendo aumentá-la para 12V com uma corrente de carga de 1A ou uma potência de saída de 12W. Selecionei uma frequência de comutação de 20kHz. Pelos meus cálculos, preciso de um ciclo de trabalho de 0,583 para fazer isso, portanto o tempo de entrega deve ser de 29,15 µs. Assumindo uma eficiência de 0,90, a potência de entrada será 13,34W e a corrente de entrada 2,67A.
Suposições que podem estar me causando problemas:
- Talvez a eficiência seja totalmente irreal para um design tão simples e minha corrente de entrada seja muito maior do que eu esperava.
- Inicialmente, não me importava muito com ondulações, então escolhi o indutor e o capacitor aleatoriamente.
- Talvez a frequência de comutação fosse muito pequena.
Executei a simulação com um tempo de 10ms (deve estar visível no gráfico).
O que eu esperava ver é uma tensão de 5V, talvez com uma pequena ondulação, no ponto 2 (entre o indutor e o NMOS) e uma tensão de 12V com uma ondulação no ponto 3 (entre o diodo e o capacitor).
Em vez disso, o que sai é o que parece um caos total - recebo uma voltagem de pico de 23V que oscila em torno de 11,5V no ponto 2 e uma voltagem de pico ligeiramente mais baixa de pouco mais de 22,5V que oscila em torno de 17V no ponto 3:
No pressuposto de que minha frequência de comutação pode estar muito baixa, tentei aumentá-la para 200kHz (T = 5µs, Ton = 2,915µs) e agora recebo algo mais parecido com o que eu estava procurando, que é um pico de tensão de 12,8V a ponto 2 (oscilando entre isso e 0V) e um pico de 12V no ponto 3 (oscilando cerca de 11,8V):
Houve uma ondulação significativa na tensão. Tentei aumentar o tamanho do indutor para 100 µH, mas tudo o que parecia afetar foi a oscilação de inicialização. Então eu aumentei a capacitância para 10µF, e isso pareceu funcionar, a oscilação de tensão no ponto 3 é muito menor. A imagem acima é o resultado com um capacitor de 10µF.
Minhas perguntas, então, são:
- o que há de errado com o meu modelo original?
- 20kHz é uma frequência de comutação completamente irrealista (parece estranho que seria)?
- se eu queria uma frequência de comutação de 20kHz, o que preciso alterar para que o circuito funcione conforme o esperado? Um indutor muito maior?
- é normal que a tensão no lado de entrada seja semelhante à tensão no lado de saída quando o circuito atingiu o estado estacionário?
- que equação devo usar para dimensionar o capacitor?