XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Одним из этапов проектирования электронных устройств является их моделирование с привлечением программ схемотехнического анализа. Поэтому создание моделей этих устройств с использованием языка описания электронных схем SPICE представляет, как практический, так и теоретический интерес. Необходимость моделирования устройств отечественного производства подтверждается еще и тем, что для большинства из них SPICE-моделей не существует.

В данной работе рассматривается SPICE-модель для контроллера широтно-импульсного модулятора (ШИМ-контроллера) К1156ЕУ2 разработанная в программе схемотехнического проектирования MicroCap 12. Часть функциональных узлов макромодели была заимствована из библиотеки компонентов программы MicroCap 12, а часть синтезирована с использованием материалов, изложенных в других работах.

Благодаря тому, что архитектура ШИМ-контроллера К1156ЕУ2 достаточно традиционна [1,2], рассматриваемую в работе SPICE-модель можно использовать как основу для разработок ШИМ-контроллеров с похожей архитектурой.

Интегральная микросхема (ИМС) К1156ЕУ2 предназначена для управления импульсными источниками вторичного электропитания, использующими частоты до 1МГц. ИМС обеспечивают минимальное время прохождения сигнала через компараторы и внутреннюю логику при максимальной ширине полосы пропускания и скорости нарастания выходного напряжения усилителя сигнала рассогласования. Контроллеры совместимы с системами с прямой связью по входному напряжению и разработаны для работы в ШИМ-режимах по напряжению или току. Функциональная схема микросхемы К1156ЕУ2 приведена на рисунке 1 [3].

Рис. 1 – Функциональная схема К1156ЕУ2

На функциональной схеме микросхемы К1156ЕУ2 (см. рис.1) представлены все компоненты и функциональные узлы. К1156ЕУ2 помимо выходного каскада DA9-DA10 включает в себя генератор пилообразного напряжения (осциллятор), источник смещения DA1 на 1.25В, схему блокировки от пониженного напряжения питания DA5, источник опорного напряжения, широкополосный усилитель сигналов рассогласования DA2, ШИМ-компаратор DA6, ШИМ-защёлку DD3, фазорасщепитель DD5-DD6, узел плавного запуска VT1-VT2-DA7, компараторы ограничения тока DA3 и выключения схемы DA4, компаратор контроля величины опорного напряжения DA8, схему управления выходными ключами DD8-DD9 [3].

Описание выводов представлено в таблице 1 [3].

Таблица 1. – Описание выводов ШИМ-контроллера К1156ЕУ2

Номер вывода	Буквенное обозначение	Описание вывода
1	W1	Инвертирующий вход операционного усилителя
2	W2	Не инвертирующий вход операционного усилителя
3	M	Выход операционного усилителя, инвертирующий вход ШИМ-компаратора
4	SYN	Вход/выход синхронизации
5	R	Вывод подключения времязадающего резистора
6	C	Вывод подключения времязадающего конденсатора
7	HU	Не инвертирующий вход ШИМ-компаратора
8	Start	Вывод плавного запуска
9	HI/Stop	Вывод ограничения тока или останова
10	OU	Общий вывод
11	A	Вывод драйвера A
12	E	Эмиттеры драйверов A и B
13	K	Коллекторы драйверов A и B
14	B	Выход драйверов B
15	Ucc	Вывод питания
16	Uref	Вывод источника опорного напряжения

Создание SPICE-модели осуществлялось поэтапно. Вначале были выбраны и настроены компоненты из библиотеки программы MicroCap 12: компараторы, усилитель рассогласования, триггеры RS и D-типа, логические элементы. Затем, на основе моделей, описанных в работе [4], были синтезированы осциллятор и выходные драйвера. Далее был создан источник опорного напряжения с защитой от пониженного напряжения питания. В результате макромодель ШИМ-контроллера К1156ЕУ2 приобрела вид, представленный на рисунке 2.

Рис. 2 – SPICE-модель ШИМ-контроллера К1156ЕУ2

Как следует из рисунка, все функциональные узлы модели имеют такие же обозначения, что и в технической документации. В качестве ШИМ-защёлки DD3 используется RS-триггер, а в качестве фазорасщепителя DD5-DD6 – два D-триггера. Компоненты O1, O2, O3 являются компонентами с цифровым выходом (O-компонент). Они используются для создания аналого-цифрового интерфейса.

Для установления степени адекватности макромодели ШИМ-контроллера физическому прототипу использовалась схема ее подключения к внешним цепям, приведенная на рисунке 3. В данном подключении временно был отключен плавный старт.

Рис. 3 – Схема подключения внешних цепей к макромодели

В технической документации указано, что при сопротивлении R=3,65кОм и ёмкости C=1нф, подключённым к входам осциллятора Rt и Ct, частота осциллятора равна 400кГц +/- 10%. При этом, на входе осциллятора Ct пороговое напряжение высокого уровня должно быть не менее 2.6В и не более 3В, а пороговое напряжение низкого уровня не менее 0.7В и не более 1.1В. Выходное напряжение усилителя ошибок должно быть не менее 4В, а скорость нарастания выходного напряжения не менее 6В/мкс. Время нарастания и спада сигнала выходных драйверов должно составлять не более 60нс [3].

Рис.4 - Временные диаграммы работы макромодели ШИМ-контроллера

Рис. 5 - Временные диаграммы работы осциллятора и усилителя рассогласования ШИМ со значениями главных характеристик

Как видно из временной диаграммы рисунка 5, частота осциллятора в модели при сопротивлении R=3,65кОм и ёмкости C=1нф равна 417кГц, напряжение высокого уровня 2,76В, а низкого 1В. При этом, выходное напряжение усилителя ошибок ровно 4В, и это значение достигается за 0.745 мкс. Время нарастания и спада сигнала выходных драйверов также удовлетворяет требуемому. На диаграмме вывод B был смещен на 1В вверх.

Для включения плавного старта, на выводе Start устанавливался конденсатор ёмкостью 0.1мкф. Ограничение напряжения на выводе усилителя рассогласования осуществляется pnp-транзистором UT1, эмиттер которого подключён к выводу усилителя рассогласования, а база к конденсатору плавного старта. По мере заряда внутренним источником тока с номиналом 9мкА конденсатора плавного старта, возрастает и напряжение на выводе усилителя рассогласования, подаваемого на инверсный вход ШИМ-компаратора. Далее, по мере роста напряжения на выводе усилителя рассогласования, транзистор UT1 закрывается, так как потенциал его базы становится больше потенциала эмиттера, и управление контроллером передаётся усилителю рассогласования [5].

Рис. 6 – Временные диаграммы выходных драйверов и напряжения на усилителе рассогласования

На рисунке 6 видно, что благодаря плавному старту напряжение на входе ШИМ-компаратора плавно нарастает, и соответственно длительность импульсов также плавно изменяется. Благодаря плавному старту в ШИМ-контроллере предотвращается перегрузка выходных драйверов.

Таким образом, результаты представленных экспериментов подтвердили адекватность разработанной SPICE-модели ШИМ-контроллера ее физическому прототипу – микросхеме К1156ЕУ2.

Список литературы:

1. Мэк, Р. Импульсные источники питания. Теоретические основы проектирования и руководство по практическому применению / Р. Мэк ; пер. с англ. С.В. Пряничниковой. — М. :Додэка-XXI, 2008. — 272 с. : ил.

2. Мелешин, В.И. Транзисторная преобразовательная техника/ В.И. Мелешин— М.: техносфера, 2005. — 627 c.

3. Схемы ШИМ-контроллеров 1156ЕУ2,3. URL:https://static.chipdip.ru/lib/270/DOC000270692.pdf (дата обращения 15.07.2019)

4. Амелина, М. А. Программа схемотехнического моделирования Micro-Cap. Версии 9, 10 / М. А. Амелина, С. А. Амелин. – Смоленск : Смоленский филиал НИУ МЭИ, 2013. – 619 с.

5. Амелина, М. А. Проблемы создания SPICE-моделей контроллеров импульсных регуляторов / М. А. Амелина, С. А. Амелин // Электронный математический и медико-биологический журнал. – 2013. – Т. 12. – Вып. 3. URL: http://www.sci.rostelecom67.ru/user/sgma/MMORPH/N-39-html/amelin/amelin.htm (дата обращения 17.07.2019

Код для цитирования: Скопировать