CC BY
98Михаил ПУШКАРЕВ
pmm06@yandex.ru
Модель микросхемы MC34063A
для LTspiceSwitcherCADIII
В статье описана процедура разработки макромодели функционально сложной микросхемы для симулятора LTspiceSwitcherCADШ 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 на-
дежную 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 алгорит-
мом 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 времязадаю-щего 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 тес-
Рис. 1. Экспериментальная зависимость зарядного тока частотозадающего конденсатора от напряжения на датчике тока
Рис. 2. Схема ограничения выходного тока
Рис. 4. Схема модели MC34063A
тового источника постоянного тока изменяется от 0,2 до 0,45 В с шагом 0,01 В при двух значениях напряжения источника питания схемы У2 — 5 и 30 В. Результат моделирования демонстрируется на рис. 3.
Схема ограничителя тока уже содержит достаточно много компонентов, если же заменить источники тока II, 12 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 необязатель-
но 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 МС34063А в схемотехническом редакторе программы ЬТ8рке8'ш1сЬегСАОШ 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.
Рис. 3. Зависимость зарядного тока частотозадающего конденсатора от напряжения на датчике тока, полученная моделированием схемы на рис. 2
Рис. 5. Зависимость зарядного тока частотозадающего конденсатора от напряжения на датчике тока, полученная моделированием схемы на рис. 4
Рис. 6. График напряжения на частотозадающей емкости с искажениями, вызванными дискретностью расчета
Рис. 7. График напряжения на частотозадающей емкости, полученный в модели рис. 4
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:
SUBCKT MC34063A 1 2 3 4 5 6 7 8
* SW-colSW-em Ct gnd cinv Vcc Ipk drive col
* MC34063A DC-to-DC Converter
* Model for LTSpiceSwCAD III
* Designed by M. Pushkarev, Uljanovsk, Russia, 16/04/2008
* * Oscillator
* Comparator Vth=1.25V
B1 N002 0 V=IF((V(3)+V(N003))>V(N001),5,0)
B2 N003 0 V=IF(V(N002)>4,2m,0)
Рис. 8. Схема понижающего стабилизатора напряжения
ВMC34063 Hg/I.raw E
12 20V- Фи 800mA
1
/ ? 0 it.A
1X 1SV
640mA
«,60mA
1 ? 1 (IV f 1
480.пЛ
1 ci', y y A A Dc\ A 11 '
\ \ /Ад/ \ ! / W / \ / \f A \ / \ a\ / \
V\v v/w V / W \J X/VV V/ V -320mA
niiv / \ / \ 7 \ / \ 1 Y y
/ \ / V \J \J \j 74М...Л
11 >11 ..і л
11.95V
- BOmA
11 OliU .
4.8ms 4.9ms S.Oms b.lms 5.2ms S.3ms S.4ms
Рис. 9. Результат моделирования схемы на рис. 8
* One-vibrator_1
B5 N006 0 V=delay(V(N002),1u)
B6 N007 0 V=IF(V(N002)>1&V(N006)<1,5,0)
* Comparator Vth=0.5V
B3 N004 0 V=IF((V(3)-V(N005))<0.4*V(N001),5,0)
B4 N005 0 V=IF{V(N004)>4,2m,0}
* One-vibrator_2
B7 N008 0 V=delay(V(N004),1u)
B8 N009 0 V=IF(V(N004)>1&V(N008)<1,5,0)
* RS_trigger_1
B9 N022 0 V=IF(V(N007)<3&V(N011)>2,0,5)
R1 N010 N022 100 C1 N010 0 100p
B10 N024 0 V=IF(V(N009)<3&V(N010)>2,0,5)
R2 N011 N024 100 C2 N011 0 10p
B11 N012 0 V=IF(V(N010)>1,5,0)
* AND2
B12 N013 0 V=IF(V(N016)>1&V(N011)>1,5,0)
* RS_trigger_2
B13 N025 0 V=IF{V(N013)<3&V(N015)>1,0,5}
R3 N014 N025 100 C3 N014 0 100p
B14 N027 0 V=IF(V(N011)>3&V(N014)>1,0,5)
R4 N015 N027 100 C4 N015 0 100p
* Comparator
B15 N016 0 V=IF((V(5)+V(N017))<V(N001),5,0)
B16 N017 0 V=IF(V(N016)<5,3m,0)
* Current Limiter
B17 N018 0 V=V(6)-V(7)
B18 N020 0 V=IF(V(N018)<0.45,(-1.8692+0.00218*(V(6)-5))*(V(N018)**3) + +(2.0523-0.0012*(v(6)-5))*(V(N018)**2)-(0.7066-0.000684*(V(6)-5)) + *V(N018)+0.078-0.000144*(V(6)-5),0.00529+0.00012*(V(6)-5)) B19 N019 0 V=IF(V(N018)<0.35,2.5*10**-9*EXP((35.68+0.0528*
(V(6)-5))
+ *V(N018)),0)
B20 N028 0 V=IF(V(N018)<0.287-0.00017*(V(6)-5),V(N019), V(N020))
G1 6 3 N028 0 1
* Output Stage
B23 2 N023 I=IF(V(N014)>1,0.25m,0)
Q1 8 N023 N026 N Q2 1 N026 2 N1 R8 N023 N026 10k R9 N026 2 100
B24 N001 0 V=1.25+0.04m*(V(6)-5) ; reference voltage
I1 4 3 35|i ; charge current
B21 4 3 I=IF(V(N012)>2,-255u,0) ; discharge current
B25 6 4 I=2.5m+2*I(B23) ; supply current
R6 3 4 1MEG R5 67 1MEG C5 3 4 30p
B22 N021 0 V=V(5)-V(4)
R7 5 4 10MEG R10 4 0 0.01 D1 3 6 D
.model N NPN(Is=15E-16 Vaf=85 Bf=200 Ikf=0.2 Cjc=0.5p + Cje=1p Tf=4.5E-10 Itf=6.194 Xtf=17.43)
.model N1 NPN(Is=4.8E-14 Bf=200 Ikf=3 Vaf=85 Rb=0.5 Irb=1E-06 + Rbm=0.5 Re=0.1 Rc=0.2 Cje=50p Tf=6.5E-10 Xtf=29 Itf=3.35 + Cjc=30p Xcjc=0.15 Qco=5E-9 Rco=0.01)
.model D D .ic V(3)=0 .backanno .end
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 МС34063А.аБу, например, в каталоге ОЫ_Бет1, созданном в каталоге Бут библиотек иГзркеЗ'тТхЬегСАОШ.
Проверим работоспособность модели моделированием схемы импульсного понижающего стабилизатора напряжения. Схема стабилизатора, повторяющая схему на рис. 21 из [8], изображена на рис. 8, ана рис. 9 представлены результаты моделирования по ди-
рективе .tran на участке установившегося режима для двух значений питающего напряжения 20 и 40 Ви 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.
Version 4
SymbolType BLOCK
RECTANGLE Normal 272 368 0 -32
TEXT 139 167 Center 0 MC34063A
WINDOW 0 135 -55 Center 0
SYMATTR Prefix X
SYMATTR SpiceModel MC34063A.lib
SYMATTR Value MC34063A
SYMATTR Value2 MC34063A
PIN 272 0 RIGHT 8
PINATTR PinName SW-col
PINATTR SpiceOrder 1
PIN 272 112 RIGHT 8
PINATTR PinName SW-em
PINATTR SpiceOrder 2
PIN 272 224 RIGHT 8
PINATTR PinName Ct
PINATTR SpiceOrder 3
PIN 272 336 RIGHT 8
PINATTR PinName gnd
PINATTR SpiceOrder 4
PIN 0 336 LEFT 8
PINATTR PinName cinv
PINATTR SpiceOrder 5
PIN 0 224 LEFT 8
PINATTR PinName Vcc
PINATTR SpiceOrder 6
PIN 0 112 LEFT 8
PINATTR PinName Ipk
PINATTR SpiceOrder 7
PIN 0 0 LEFT 8
PINATTR PinName drive col
PINATTR SpiceOrder 8
