Содержание
Введение
Симуляторы SPICE - единственный способ тестировать схему до интеграции на чип. Далее, моделирование SPICE позволяет измерение токов и напряжений, которое невозможно любым другим способом. Успех симуляторов аналоговой схемы позволил распространить моделирование на разработку схем уровня платы.
Схему более просто во многих случаях имитировать, чем макетировать, и возможность в моделировании проанализировать схему для производительности и задач ускоряет разработку убедительных,
устойчивых схем.
Учитывая количество коммерчески доступных симуляторов SPICE,
почему нужно создавать новый симулятор? Потому, что уверенные
аналоговые функции чрезвычайно трудно имитировать с коммерчески
доступными симуляторами SPICE. Импульсные источники питания имеют
быстрые высокочастотно-переключающиеся прямоугольные сигналы, что
замедляет полный результат анализа. Это означает, что моделирование
должно работать для тысяч и сотен тысяч циклов, чтобы иметь полный
анализ импульсного регулятора. Коммерчески доступный SPICE просто
делает это слишком долго, чтобы быть полезным методом
моделирования. Время моделирования импульсного источника питания
должно быть в минутах, а не часах, чтобы симулятор был полезным.
Были методы моделирования аналоговой схемы, которые показали
некоторый успех в ускорении моделирования импульсного источника
питания, но за счет изготовления упрощающего предположения, которое
не позволяют произвольную управляющую логику и полную имитацию
комплексных форм сигнала переключения. Новый SPICE с встроенными
примитивами логики, которые моделируют импульсный элемент
управления, дает лучший ответ. Он может дать быстрое моделирование,
детализированный объем формы сигнала, и все еще предоставляет
гибкость для произвольных модификаций схемы.
SwitcherCADIII является новым SPICE, который разработан для
моделирования импульсной системы регулятора на уровне общей схемы.
В новыйSPICE встроены схемные элементы для моделирования
практических компонентов уровня платы. Конденсаторы и катушки
индуктивности могут быть оформлены с последовательным
сопротивлением и другими паразитными аспектами их режима, не
используя подсхемы или внутренние узлы. Кроме того, схемный элемент
моделирования был разработан для энергетического MOSFET, который
точно показывает его обычный режим заряда затвора, не используя
подсхемы или внутренние узлы. Уменьшение количества узлов, которое
симулятор производит, значительно уменьшает объем вычисления,
необходимого для данного моделирования, не ставя под угрозу
точность или детали форм импульсного сигнала. Другое преимущество
этих новых моделей - то, что задачи сходимости проще решить, так
как у них, как у компонентов уровня модели платы, есть конечное
полное сопротивление на всех частотах.
SwitcherCAD III разрабатывается, чтобы использоваться тремя
различными типами разработчиков: 1 - те, кто знает то, что они
делают; 2 - те, кто думает, что они знают; 3 - и те, кто уверен, что
они абсолютно ничего не знают о разработке импульсного регулятора.
Опытный дизайнер нуждается в ответах программы "что, если", которые
позволят ему быстро изменять аспекты схемы, чтобы найти оптимальную
разработку. Новичок нуждается в подходе поваренной книги, который
приведет к надежной разработке, основанной на самых простых
рецептах. "Неточное орудие" дизайнер нуждается в программе, которая
позволит ему осуществлять свою добрую волю, но будет достаточно
интеллектуальна, чтобы оградить его от фатальных дефектов
разработки.
1 Исследование схемы импульсного преобразователя
1.1 Повышающий преобразователь
В документации на микросхему LT1109 приводится следующая упрощенная функциональная схема ее внутреннего устройства(рис1.1.1)
-VIN — входное напряжение питания; используется для питания элементов схемы;
-GND — “земля”;
-FB (Feed Back) — вход обратной связи по напряжению; используется для контроля выходного напряжения преобразователя;
-SHUTDOWN (SDN) — инверсный вход запрета работы схемы;
-SW (Switch) — выход ключевого транзистора Q1. При открытом ключе выход SW замыкается на “землю”.
Рисунок 1.1.1 - Упрощённая функциональная схема микросхемы LT1109
В схеме присутствуют следующие элементы: стабилизатор опорного напряжения 1,25 В (REFERENCE); компаратор напряжений (COMPARATOR); схема разрешения на логическом элементе “И”; генератор опорной частоты преобразователя 120 кГц (OSCILLATOR); усилитель сигнала генератора (DRIVER); силовой ключ на транзисторе Q1.
Выход схемы SW подключен к индуктивности дросселя L1 . Вход FB подключен к средней точке делителя на резисторах Rl, R2. Вход запрета SDN оставлен неподключенным.
В соответствии с документацией схема работает следующим образом. Генератор формирует прямоугольный сигнал (меандр) с частотой около 120 кГц. Этот сигнал открывает и закрывает выходной ключевой транзистор. Ключ открыт 50% и закрыт 50% времени периода повторения опорного генератора. Компаратор разрешает или запрещает работу генератора, в зависимости от соотношения уровней опорного напряжения Vref= 1.25 В и напряжения на входе обратной связи VFB. Если напряжение на входе управления FB меньше опорного (Vfb<VREF), то работа генератора разрешена. Если напряжение на входе управления FB больше опорного (VFB>Vref), то работа генератора запрещена, и ключ Q1 закрыт. Поскольку вход запрета SDN оставлен неподключенным, то на нем постоянно присутствует паразитный уровень логической “1”, и логическая микросхема ретранслирует сигнал компаратора, т.е. работа схемы постоянно разрешена.
Когда ключ Q1 замкнут, ток источника течет через индуктивность L1, и эта индуктивность накапливает энергию. Когда ключ размыкается, накопленная в индуктивности энергия отдается в нагрузку через диод D1. Этот диод препятствует разряду емкости сглаживающего фильтра С1 через открытый ключ Q1 на “землю”.
Выходное напряжение преобразователя Vout поступает на резистивный делитель Rl, R2, на котором формируется напряжение обратной связи:
(1)
Выбирая соотношение резисторов, можно регулировать соотношение напряжений. Равновесное состояние схемы устанавливается при равенстве внутреннего опорного напряжения и напряжения обратной связи VFB = VREF. При этом
(2)
Для исходных значений сопротивлений R1 = 81 кОм, R2 = 248 кОм и VREF= 1,25 В получим
Таким образом, делитель настроен на выходное напряжение схемы 5 В.
Теперь перейдем к исследованию работы схемы:
Диод 30BQ060(диод Шоттки). Транзистор n-p-n. Схема импульсного повышающего преобразователя напряжения LT1109
Таблица 1- Исходные данные
№ |
L1, мкГн |
C1, мкФ |
R1, кОм |
R2, кОм |
Rload, Ом |
12 |
32 |
19 |
81 |
248 |
48 |
Рисунок 1.1.2 - Схема импульсного повышающего преобразователя напряжения на LTC1109
Рисунок 1.1.3 - Напряжения и токи в схеме при исходных значениях параметров: Rload = 48Ом; L1 = 32мкГн; C1 = 19 мкФ; R1 = 81 кОм и R2 = 248 кОм
Рисунок 1.1.4 - Схема с увеличенным номиналом резистора R1 на 10%
Рисунок
1.1.5 -
Напряжения и токи в схеме при исходных
значениях параметров: Rload
= 48Ом; L1
= 32мкГн; C1
= 19 мкФ; R1
= 89 кОм и R2
= 248 кОм; Сопротивление резистора R1
увеличили на 10%
Рисунок 1.1.6 - Схема с уменьшенным номиналом резистора R1 на 10%
Рисунок 1.1.7 - Напряжения и токи в схеме при исходных значениях параметров: Rload = 48Ом; L1 = 32мкГн; C1 = 19 мкФ; R1 = 89 кОм и R2 = 248 кОм; Сопротивление резистора R1 уменьшили на 10%
Рисунок 1.1.8 - Схема с минимальным значением R1
Рисунок 1.1.9 - Напряжения и токи в схеме при исходных значениях параметров: Rload = 48Ом; L1 = 32мкГн; C1 = 19 мкФ; R1 = 89 кОм и R2 = 248 кОм; Сопротивление резистора R1 задали 0.1 Ом
Рисунок 1.1.10 - Схема с максимальным значением R1
Рисунок 1.1.11 - Напряжения и токи в схеме при исходных значениях параметров: Rload = 48Ом; L1 = 32мкГн; C1 = 19 мкФ; R1 = 89 кОм и R2 = 248 кОм; Сопротивление резистора R1 задали 1 ГОм
Рисунок 1.1.12 - Схема с параметрическим заданием R1
Рисунок 1.1.13 - Влияние резистора делителя обратной связи R1 на выходное напряжение V(out)
Рисунок 1.1.14 - Схема с параметрическим заданием R1
Рисунок 1.1.15 - Влияние резистора делителя обратной связи R1 на выходное напряжение V(out) в установившемся режиме
Упрощенная схема повышающего преобразователя
Для исследования влияния Rload взять значения Rload/5 и Rload*10.
Для исследования влияния Q взять значения Q/2.5, Q, 1.6*Q (Q=Ton/Tperiod).
Транзистор n-p-n. Диод 30BQ060(диод Шоттки).
Таблица 2 - Исходные данные
N |
L1, мкГн |
C1, мкФ |
R1, Ом |
Rload, Ом |
Vinitial |
Von, В |
Tdelay |
Tris, мкс |
Tfall,мкс |
Ton, мкс |
Tperiod,мкс |
12 |
32 |
19 |
102 |
47 |
0 |
3 |
0 |
0,1 |
0,1 |
4 |
8 |
Рисунок 1.1.16 - Упрощенная схема преобразователя
Рисунок 1.1.17 - Зависимость выходного напряжения V(out) и тока ключа Ic(Q1) упрощенной схемы (Rload = 47 Ом)
Рисунок 1.1.18 - Упрощенная схема преобразователя с уменьшенным в 5 раз значением Rload
Рисунок 1.1.19 - Зависимость выходного напряжения V(out) и тока ключа Ic(Q1) для сопротивления нагрузки Rload = 9 Ом
Рисунок 1.1.20 - Зависимость тока ключа Ic(Q1) и тока диода I(D1) для сопротивления нагрузки Rload = 9 Ом
Рисунок 1.1.21 - Упрощенная схема преобразователя с увеличенным в 10 раз значением Rload
Рисунок 1.1.22 - Зависимость выходного напряжения V(out) и тока ключа Ic(Q1) для сопротивления нагрузки Rload = 470 Ом
Рисунок 1.1.23 - Зависимость тока ключа Ic(Q1) и тока диода I(D1) для сопротивления нагрузки Rload = 470 Ом
Рисунок 1.1.24 - Упрощенная схема преобразователя с параметрическим задание Q
Рисунок 1.1.25 - Влияние заполнения импульсов опорного генератора на выходное напряжение V(out) и ток индуктивности I(L1)
Рисунок 1.1.26 - Влияние заполнения импульсов опорного генератора на выходное напряжение V(out) и ток индуктивности I(L1)