Модель микросхемы MC34063A для LTspiceSwitcherCADIII

В статье описана процедура разработки макромодели функционально сложной микросхемы для симулятора LTspiceSwitcherCADIII с использованием поведенческого моделирования.

Компьютерное моделирование, в частности моделирование электронных и электрических схем, не только позволяет существенно сократить время и затраты на разработку устройства, но и является при этом чрезвычайно увлекательным занятием.

Коммерческие программы моделирования в электронике, такие как OrCAD, Proteus, Micro-Cap, Multisim (Electronics Workbench), недоступны для многих предприятий, не говоря о пользователях-одиночках. Демонстрационные или студенческие версии программ имеют существенные ограничения, не позволяющие создавать сложные проекты.

Бесплатная программа моделирования LTspiceSwitcherCADIII фирмы Linear Technology имеет более скромные, но вполне достаточные для многих видов анализа возможности. Авторы программы заявляют ее назначение следующим образом.

Симулятор LTspiceSwitcherCADIII предназначен для использования тремя различными категориями инженеров-разработчиков: тех, кто знает, что такое проектирование импульсных регуляторов, тех, кто думает, что они все знают, и тех, кто уверен, что ничего об этом не знают. Опытный разработчик пользуется тем, что программа позволяет ему быстро изменять параметры схемы в поиске оптимального варианта проекта. Новичок нуждается в «поваренной книге», обеспечивающей надежную реализацию проекта при простоте подхода к решению задачи. Самоуверенному разработчику нужна программа, реализующая его фантазии, но достаточно развитая, чтобы предотвратить фатальные ошибки.

Хотя программа ориентирована на анализ схем источников питания с применением компонентов Linear Technology, она позволяет пополнять библиотеки моделями компонентов других производителей. Правда, при этом следует учитывать, что синтаксис языка LTSpice несколько отличается от принятого в вышеперечисленных программах, и некоторые модели могут оказаться неработоспособными в LTspiceSwitcherCADIII.

Программа проста в освоении даже для начинающих пользователей, имеет руководство пользователя [11], доступное, как и программа, на сайте Linear Technology. Литература на русском языке [1–7], хотя и посвящена другим программам моделирования, может помочь в освоении программы, составлении заданий на моделирование и разработке собственных моделей. Моделированию импульсных источников питания посвящена книга [9].

Разработаем модель микросхемы MC34063A фирмы ON_Semiconductor применительно к программе LTspiceSwitcherCADIII. Выбор данной микросхемы обусловлен ее популярностью, невысоким качеством известных моделей, оригинальным и непростым алгоритмом регулирования, возможностью продемонстрировать моделирование элементов, описываемых сложными аналитическими функциями. Для создания адекватной модели хотелось бы иметь максимум информации о компоненте. Но, к сожалению, доступны только два документа [8, 10], и есть возможность изучить некоторые характеристики на образцах микросхемы.

В процессе регулирования не последнюю роль играет ограничитель выходного тока ключа. На рис. 1 изображена экспериментальная зависимость зарядного тока времязадающего конденсатора от падения напряжения на резисторе — датчике тока для двух значений питающего напряжения. При замкнутых накоротко выводах 6 и 7 зарядный ток равен 31 мкА и не зависит от питающего напряжения. На начальном участке эта зависимость существенно отличается от характеристики, изображенной в [10], что может быть связано с усовершенствованиями микросхемы, сделанными после ее разработки.

Пример схемы ограничителя тока, имеющей характеристику практически идентичную с экспериментальной, показан на рис. 2. Директивой моделирования .dc V1 0.2 0.45 0.01 V2 5 30 25 задан режим проведения анализа по постоянному току со ступенчатым изменением параметров источников (DC Sourse Swep Analysis), когда напряжение V1 управления током тестового источника постоянного тока Itest изменяется от 0,2 до 0,45 В с шагом 0,01 В при двух значениях напряжения источника питания схемы V2 — 5 и 30 В. Результат моделирования демонстрируется на рис. 3.

Схема ограничителя тока уже содержит достаточно много компонентов, если же заменить источники тока I1, I2 их реально реализуемыми электрическими схемами, она окажется многократно сложнее.

Обычной практикой в моделировании сложных компонентов электронных схем является поведенческое моделирование, когда создаваемая модель реагирует на внешние воздействия аналогично реальному компоненту, а внутреннее устройство модели необязательно соответствует принципиальной электрической схеме компонента. Такой подход позволяет создать эффективную макромодель компонента, обеспечивающую повышенное быстродействие за счет сокращения объема расчетов, а в некоторых случаях и решающую проблему сходимости при моделировании. К сожалению, литературы на русском языке, посвященной этой теме, включая примеры разработки различных узлов в такой манере, практически нет. Некоторые сведения можно почерпнуть в публикациях [1, 6].

Схема модели MC34063A в схемотехническом редакторе программы LTspiceSwitcherCADIII изображена на рис. 4. Все функциональные элементы моделируются с использованием таких компонентов, как источники напряжения и тока с произвольным поведением (Arbitrary behavioral voltage or current sources в LTSpice) и источники тока, управляемые напряжением (Voltage Dependent Current Source).

При рисовании схемы программа автоматически присваивает имена узлам, однако по мере создания схемы необходимо вручную по команде Edit/Label Net присвоить имена узлам, на которые имеются ссылки в моделях функциональных элементов (N001 и т. д. на рис. 4), а узлам, соответствующим выводам микросхемы, желательно присвоить те же имена (1–8 на рис. 4).

Упомянутая выше схема ограничителя тока моделируется компонентами B17-B20 и G1. Источник B17 преобразует падение напряжения на токоизмерительном резисторе в управляющее напряжение для источников B18 и B19, привязанное к глобальной «земле» модели. Выходное напряжение B18 описывается полиномом третьей степени с функцией ограничения при входном напряжении более 0,45 В, а выходное напряжение B19 представляется экспоненциальной функцией. Источник B20 объединяет выходные напряжения источников B18 и B19 на двух участках характеристики. Эффект изменения режима работы у ограничителя тока при изменении напряжения питания учитывается зависимостью выходных напряжений источников B18, B19 и напряжения объединения двух сигналов от напряжения питания. Управляемый источник тока G1 преобразует выходное напряжение B20 в ток, ускоряющий заряд частотозадающей емкости. Характеристика ограничителя тока, показанная на рис. 5, в деталях повторяет график на рис. 3, если учесть преднамеренно внесенный в модель сдвиг по оси напряжений для соответствия характеристики усредненным справочным данным микросхемы MC34063A.

Простой и эффективный способ моделирования генератора — описание его аналитической зависимостью, в которую включаются номиналы внешних частотозадающих компонентов. Для микросхемы MC34063A заряд частотозадающей емкости при срабатывании ограничителя тока описать таким образом сложно, поэтому генератор построен по схеме, подобной схеме таймера NE555, на двух компараторах и RS-триггере. Компараторы с порогами срабатывания Vref и 0,4Vref и гистерезисом 2 мВ моделируются источниками B1–B4, а триггер — источниками B9–B10 и интегрирующими цепочками, формирующими необходимые задержки распространения сигнала. Источник B24 моделирует опорное напряжение Vref. В модель источника B24 введена зависимость от напряжения питания, позволяющая учесть зависимость выходного напряжения преобразователя от напряжения питания.

Основной вид анализа в преобразовательной технике — анализ переходных процессов по директиве .tran. Если не указан максимально допустимый шаг расчета (Maximum Timestep), программа автоматически изменяет его по мере изменения режима работы схемы, не всегда успевая приспособиться к изменению режима. Примером служит график зависимости напряжения на частотозадающем конденсаторе на рис. 6, на котором видно искажение формы напряжения на конденсаторе после окончания серии импульсов тока через индуктивность. Ограничение максимально допустимого шага расчета достаточно малой величиной позволяет обеспечить более высокую точность расчетов, но при этом существенно увеличивается время анализа схемы и размер файла .raw, а выбрать оптимальное значение максимально допустимого шага расчета непросто.

Для разрешения этих проблем каждый из компараторов генератора дополнен схемой одновибратора на элементах B5, B7, формирующих задержку, которая определяет длительность импульсов, и источниках B6, B8. При анализе программа вынуждена обрабатывать выходные импульсы мультивибраторов, чем автоматически регулируется максимальный шаг расчета. Сравним результаты моделирования на рис. 6 и рис. 7. Видно, что на рис. 7 искажения формы напряжения на конденсаторе отсутствуют. Источник B11, обостряющий импульсы на выходе триггера, управляющем источником разрядного тока B21, также предназначен для улучшения стабильности работы модели. Недостаток этого решения — увеличение времени анализа.

Импульсы с выхода триггера (узел N011) поступают на вход элемента 2И на источнике B12 и на вход R– RS-триггера на источниках B13, B14. На второй вход элемента 2И поступает напряжение с выхода компаратора обратной связи на источниках B15, B16, запрещающее прохождение импульсов управления с выхода триггера (узел N014) к выходному каскаду при достижении выходным напряжением номинального значения.

Источники I1 и B25 — это источник зарядного тока частотозадающей емкости и источник, имитирующий собственное потребление микросхемы, соответственно.

Выходной каскад — транзисторы Q1, Q2.

Диод D1 ограничивает напряжение на частотозадающей емкости при моделировании схемы повышающего преобразователя.

Модели активных компонентов и директивы моделирования подключаются по команде Edit->SPICE Directive.

Директивой .ic V(3)=0 задано начальное условие, позволяющее начать моделирование при нулевом напряжении на частотозадающем конденсаторе. При отсутствии такой директивы напряжение на конденсаторе в начальный момент может принимать произвольные и весьма большие значения, что затягивает процесс моделирования или делает его совсем невозможным.

По команде View->SPICE Netlist на экран монитора выводится окно с информацией, содержащей список элементов схемы с их параметрами и взаимосвязями, текстовые комментарии, директивы моделирования и подключенные модели. Элементы в списке перечисляются в последовательности, в которой они были изображены на схеме. Скопировав SPICE Netlist в буфер обмена и вставив содержимое в любой текстовый редактор, подкорректируем его, сделав удобочитаемым, и добавим необходимые для макромодели данные. Внесенные дополнения в текстовом файле модели выделены курсивом. Кроме того, из текста удалены ссылки на библиотеки и модели транзисторов:

Для подключения библиотеки существует несколько способов. Простейший — сохранить текстовый файл с расширением .lib, например MC34063A.lib, в каталоге sub библиотек LTspiceSwitcherCADIII. Правда, при этом существует опасность удаления библиотеки при обновлении программы.

Создание символа начинается командой File=>New Symbol и не представляет особой сложности. Приведем текст, описывающий символ компонента MC34063A в файле с расширением .asy, полученный в результате создания символа:

Созданный символ сохраняем с именем MC34063A.asy, например, в каталоге ON_Semi, созданном в каталоге sym библиотек LTspiceSwitcherCADIII.

Проверим работоспособность модели моделированием схемы импульсного понижающего стабилизатора напряжения. Схема стабилизатора, повторяющая схему на рис. 21 из [8], изображена на рис. 8, а на рис. 9 представлены результаты моделирования по директиве .tran на участке установившегося режима для двух значений питающего напряжения 20 и 40 В и скачкообразного изменения тока нагрузки от 750 мА до нуля и обратно. Результаты моделирования показывают, что модель микросхемы MC34063A достаточно реалистично имитирует процессы, происходящие в реальной схеме.

При моделировании следует учитывать присущие модели ограничения: не предусмотрено изменение характеристик модели с изменением температуры, поведение модели отличается от поведения реального устройства за пределами максимально допустимых режимов эксплуатации, не совсем реалистично моделирование в начальный момент времени в схеме повышающего стабилизатора напряжения.

Литература

1. Златин И. Моделирование на функциональном уровне в OrCAD 9.2 // Компоненты и технологии. 2003. № 3, 4.
2. Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. М.: «Солон-Р», 2001.
3. Разевиг В. Д. Система проектирования OrCAD 9.2. М.: «Солон-Р», 2001.
4. Разевиг В. Д. Система схемотехнического моделирования Micro-Cap 6. М.: Горячая линия-Телеком, 2001.
5. Разевиг В. Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesignLab 8.0. М.: «Солон», 1999.
6. Петраков О. Поведенческое моделирование в PSpice // Схемотехника. 2003. № 3, 4.
7. Хайнеман Р. PSPICE. Моделирование работы электронных схем. М.: ДМК, 2005.
8. AN-920/D. Theory and Applications of the MC34063 and ?A78S40 Switching Regulator Control Circuits. ON_Semiconductor.
9. Christophe P. Basso. Power Supply SPICE Cookbook. McGraw-Hill, 2001.
10. MC34063A, MC33063A. DC-to-DC Converter Control Circuits. Datasheet. ON_Semiconductor.
11. scad3.pdf. Linear Technology.