6.4 Моделирование работы силовых элементов шим с драйвером
Используя результаты предварительного выбора силовых элементов ШИМ, драйверов, параметров источников питания необходимо построить компьютерную модель и уточнить параметры работы ШИМ.
Пример 4.
Построим компьютерную модель для коммутирующего элемента с драйвером в соответствии с условиями примера 1.
В системе моделирования mc9 построим модель, показанную на рис. 6.
Рис. 6. – Схема моделирования транзисторного ключа с драйвером в mc9
В качестве источника напряжения V1 используем генератор прямоугольных импульсов ТТЛ уровня с параметрами, показанными на рис. 7.
Рис. 7. – Параметры V1 для схемы моделирования представленной на рис. 6
На рис. 8 показано окно установки анализа переходных процессов в программе mc9.
Рис. 8. – Окно установки анализа переходных процессов в программе mc9
На рис. 9 представлены результаты анализа переходных процессов для схемы приведенной на рис. 6.
Рис. 9. – Анализ переходных процессов для напряжения в узлах 1,2,3
Результаты моделирования показывают, что задержка включения и выключения коммутирующего элемента при управлении его драйвером EL7212 не превышает 100 нс, что на 2 порядка меньше требуемого времени установки напряжения ШИМ, определенного заданием.
С целью проверки линейности ШИМ выполним анализ переходных процессов в программе mc9. В качестве выходной величины будем рассматривать усредненное значение напряжения на нагрузке ШИМ за время моделирования. Установки анализа переходных процессов представлены на рис. 10.
Рис. 10. – Окно установки анализа переходных процессов в программе mc9 при проверке линейности ШИМ
Моделирование будем выполнять с шагом, на каждом шаге будет производиться изменение длительности управляющего импульса поступающего на вход ШИМ при неизменном периоде. Установки шага показаны на рис. 11.
Рис. 11. – Окно установки шага
Рис. 11. – Анализ переходных процессов для выходного напряжения ШИМ при различных длительностях управляющего импульса
Из результатов моделирования приведенных на рис. 11 следует, что при длительности управляющих импульсов 50% от периода, среднее значение напряжения на нагрузке ШИМ равно 25,26 В. Таким образом отклонение от идеального значения равно 0,26 В или 1,02%.
6.5 Выбор схемы преобразователя код-длительность импульса
Для управления силовыми элементами ШИМ необходимо разработать схему блока, на вход которого будет приходить управляющий код, а на выходе будут формироваться прямоугольные импульсы, с амплитудой достаточной для управления драйвера силовых элементов и скважность которых будет определяться величиной входного кода. Такой преобразователь, может быть выполнен на микроконтроллере с соответствующем программным обеспечением. Однако при небольшой разрядности входного кода, может оказаться экономически целесообразным использование цифровых интегральных микросхем малой и средней степени интеграции.
Блок может быть построен с использованием счетчика, устройства сравнения, триггера и тактового генератора. Вариант блок-схемы преобразователя представлена на рис. 12.
Рис. 12. – Преобразователь код-длительность импульса
В схеме приведенной на рис. 12 импульсы от тактового генератора поступают на двоичный счетчик на выходе которого формируются последовательно возрастающие коды, поступающие на входы цифрового компаратора. По достижении счетчиком максимального значения кода на его выходе появляется сигнал переполнения, который по очередному импульсу генератора осуществляет сброс счетчика и процесс повторяется. На вторую шину компаратора кодов поступает управляющий код и при равенстве кодов формируется сигнал записи в триггер. Сброс триггера также осуществляется по сигналу переполнения счетчика. Таким образом, низкий уровень на выходе триггера будет с момента сброса до момента равенства кодов на входах цифрового компаратора. Соответственно длительность низкого уровня на выходе триггера будет пропорциональна величине управляющего входного кода. Если необходим сигнал высокого уровня, то его можно снять с инверсного выхода триггера или использовать дополнительный инвертор.
Для схемы на рис. 12 необходимо использовать счетчик и компаратор кодов имеющие разрядность как минимум равную разрядности управляющего кода. Период следования импульсов тактового генератора должен быть в 2N раз меньше требуемого периода на входе драйвера, где N – разрядность управляющего кода.
Пример 5.
Разработаем схему управления для драйвера ШИМ из примера 4.
Период следования управляющих импульсов 10 мкс.
Разрядность входного кода:8.
Исходя из разрядности кода, выберем микросхему двоичного асинхронного счетчика 74LV4040A, который имеет разрядность 12 и микросхему компаратора кодов 74F521, имеющую разрядность 8. В качестве триггера используем JK-триггер 74HCT74. Так как специальных требований к стабильности частоты следования тактовых импульсов не предъявляется, то в качестве тактового генератора используем микросхему 74AC04, которая содержит 6 инверторов. При необходимости высокой стабильности частоты генерации необходимо использовать специализированные микросхемы (например, 74LS320) позволяющие подключать кварцевые резонаторы.
На рис. 13 представлена схема моделирования в mc9 тактового генератора на 2 инверторах микросхемы74AC04.
Рис. 13. – Генератор тактовых импульсов
Период следования тактовых импульсов подбирается в процессе моделировании. Для элементов указанных на рис. 13 он составляет 39 nc. Длительность 256 тактов при этом будет равна 9,98 мкс.
Модель схемы преобразователя код-длительность ШИМ для mc9 представлена на рис 14.
Рис. 14. – Модель схемы преобразователя код-длительность