Содержание

Введение

Моделирование аналоговой схемы было неотделимо от аналоговой

разработки микросхем (IC). 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. Повышающегопреобразователя

В данном разделе будем проводить исследование по поводу влияния навесных элементов схемы импульсного преобразователя на изменение токов и напряжений в процессе запуска в установившемся режиме. Такое исследование необходимо для лучшего понимания особенностей работы схемы, так и для обоснования выбора конкретных значений ее параметров.

Исходные данные:

- 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
8	36	15	77	244	44

На рисунке 1.1.1 представлена схема повышающего импульсного преобразователя напряжения на базе микросхемы LT1109; на рисунке 1.1.2 – графики изменения (при исходных значениях номиналов) напряжения на нагрузке Vout, тока на индуктивности I(L1) и тока вывода ключа SW микросхемы LT1109.

Рисунок 1.1.1 -Схема импульсного повышающего преобразователя напряжения на LTC1109.

Рисунок 1.1.2 -Напряжения и токи в схеме при исходных значениях параметров.

Исследование влияния резисторов делителя обратной связи

Изменяем сопротивление резистора R1 в большую и меньшую сторону.

Сопротивление резистора R1 увеличили на 10%, R1 = 84.7Om:

На рисунке 1.1.3 представлена схема повышающего импульсного преобразователя напряжения на базе микросхемы LT1109 при увеличении номинала резистора R1 на 10%; на рисунке 1.1.4 – графики изменения (при изменённом значении номинала R1) напряжения на нагрузке Vout, тока на индуктивности I(L1) и тока вывода ключа SW микросхемы LT1109.

Рисунок 1.1.3 -Схема с параметрическим заданием R1.

Рисунок 1.1.4-Напряжения и токи в схеме при увеличенииR1 на 10%.

Vout=4,8B

Сопротивление резистора R1 уменьшили на 10%, R1 = 69,3Om:

На рисунке 1.1.5 представлена схема повышающего импульсного преобразователя напряжения на базе микросхемы LT1109 при уменьшении номинала R1 на 10%; на рисунке 1.1.6 – графики изменения (при уменьшенном значении номинала R1) напряжения на нагрузке Vout, тока на индуктивности I(L1) и тока вывода ключа SW микросхемы LT1109.

Рисунок 1.1.5 –Схема с параметрическим заданием R1R1.

Рисунок 1.1.6 -Напряжения и токи в схеме при уменьшении R1 на 10%.

Vout=5.2B

При изменении сопротивления R1 на ±10%, мы можем менять выходное напряжение преобразователя примерно на ±0,2B.

Проверим, в каком диапазоне мы можем менять выходное напряжение. Для этого проведем измерение при минимально и максимально возможных значениях R1. На рисунке 1.1.7 представлена схема повышающего импульсного преобразователя напряжения на базе микросхемы LT1109 с минимально возможным значением номинала R1; на рисунке 1.1.8 – графики изменения (при минимальном значении номинала R1) напряжения на нагрузке Vout, тока на индуктивности I(L1) и тока вывода ключа SW микросхемы LT1109.

При R1 = 0.1Om:

Рисунок 1.1.7 -Схема с параметрическим заданием R1

Рисунок 1.1.8 -Напряжения и токи в схеме при сопротивлении резистора R1=0.1 Ом

Vout=5.3B – это соответствует тому, что на вход обратной связи подается нулевое напряжение, генератор преобразователя работает постоянно, и на выходе устанавливается максимально возможное напряжение.

На рисунке 1.1.9 представлена схема повышающего импульсного преобразователя напряжения на базе микросхемы LT1109 с максимально возможным значением номинала R1; на рисунке 1.1.10 – графики изменения (при максимальном значении номинала R1) напряжения на нагрузке Vout, тока на индуктивности I(L1) и тока вывода ключа SW микросхемы LT1109.

При R1 = 1GOm:

Рисунок 1.1.9-Схема с параметрическим заданием R1

Рисунок 1.1.10-Напряжения и токи в схеме при сопротивление резистора R1 равном 1ГОм

Vout=2.7B – это соответствует тому, что на вход обратной связи подается выходное напряжение полностью.

На рисунке 1.1.11 представлена схема повышающего импульсного преобразователя напряжения на базе микросхемы LT1109 с параметрическим заданием номинала R1; на рисунке 1.1.12 – графики изменения (при параметрическом изменении номинала R1) напряжения на нагрузке Vout.

Параметрическое исследование влияния делителя обратной связи

Рисунок 1.1.11-Схема с параметрическим заданием R1

R1=1G

R1=0.1

Рисунок 1.1.12-Влияние резистора делителя обратной связи R1 на выходное напряжение V(out)

Симулирование переходного процесса

Рисунок 1.1.13-Схема с параметрическим заданием R1

R1=69.3K

R1=77K

R1=84.7K

Рисунок 1.1.14-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
8	36	15	106	43	0	3	0	0,1	0,1	4	8

На рисунке 1.1.15 представлена упрощённая схема повышающего импульсного преобразователя, вместо микросхемы LT1109 использованы ключевой транзистор Q1, генератор управляющих импульсов CLK и резистор R1, ограничивающий максимальный ток базы. На рисунке 1.1.16 представлены графики выходного напряжения V(out) и тока ключа Ic(Q1).

Исследование работы схемы импульсного повышающего преобразователя

Рисунок 1.1.15-Упрощенная схема преобразователя

Рисунок 1.1.16-Зависимость выходного напряжения V(out) и тока ключа Iс(Q1) упрощенной схемы (Rload = 43 Ом)

Выходное напряжение упрощенной схемы Vout = 5.6B.

Исследование влияния сопротивления нагрузки

На рисунке 1.1.1 представлена упрощённая схема повышающего импульсного преобразователя с уменьшенным в пять раз значением сопротивления нагрузки. На рисунке 1.1.20 представлены графики выходного напряжения V(out) и тока ключа Ic(Q1) для уменьшенного сопротивления нагрузки.

Рисунок 1.1.17 -Упрощенная схема преобразователя с параметрическим задание Rload

Рисунок 1.1.18 -Зависимость выходного напряжения V(out), тока ключа Iс(Q1) и тока диода I(D1) для сопротивления нагрузки Rload = 8.4 Ом

На рисунке 1.1.19 представлена упрощённая схема повышающего импульсного преобразователя с увеличенным в 10 раз значением сопротивления нагрузки. На рисунке 1.1.20 представлены графики выходного напряжения V(out) и тока ключа Ic(Q1) для увеличенного сопротивления нагрузки. На рисунке 1.1.21 представлены графики тока ключа Ic(Q1) и тока диода I(D1) для увеличенного сопротивления нагрузки.

Рисунок 1.1.19-Упрощенная схема преобразователя с параметрическим задание Rload

Рисунок 1.1.20 -Зависимость выходного напряжения V(out), тока ключа Ic(Q1) и тока диода I(D1) для сопротивления нагрузки Rload = 43 Ом

На рисунке 1.1.21 представлена упрощённая схема повышающего импульсного преобразователя с параметрическим заданием коэффициента заполнения Q. На рисунках 1.1.22 и 1.1.23 представлены графики выходного напряжения V(out) и тока индуктивности I(L1) для параметрического задания коэффициента заполнения.

Рисунок 1.1.21 -Упрощенная схема преобразователя с параметрическим задание Rload

Рисунок 1.1.22 -Зависимость выходного напряжения V(out), тока ключа Ic(Q1) и тока диода I(D1) для сопротивления нагрузки Rload = 430 Ом

Исследование влияния коэффициента заполнения импульсов опорного генератора

Изменим параметры модели так, чтобы получить зависимости для разных значений заполнения, в частности – для трех значений Q = 0.2, 0.5, 0.8.

z

Рисунок 1.1.23 -Упрощенная схема преобразователя с параметрическим задание Q

Q=0.8

Q=0.5

Q=0.2

Q=0.8

Q=0.5

Q=0.2

Q=0.2

Q=0.5

Q=0.8

Q=0.5

Q=0.8

Q=0.2

Рисунок 1.1.24-Влияние заполнения импульсов опорного генератора на выходное напряжение V(out) и ток индуктивности I(L1)

Условие режима неразрывного тока:

В нашем случае:

Имеет место режим неразрывного тока, что и подтверждается результатами моделирования.

Установившееся выходное напряжение для режима неразрывного тока Vout=3.6Bдля Q=0.2;Vout=6Bдля Q=0.5; Vout=13Bдля Q=0.8.

Cучетом поправки на падение напряжения на открытом диоде (V_D=0,4B)получим следующее значение выходного напряжения: 3,3В, 5,6В и 13,6В.

Таким образом, результаты теоритических оценок установившегося режима импульсного повышающего преобразователя совпадают с результатами моделирования.