сотрудник
Брянск, Брянская область, Россия
Брянск, Брянская область, Россия
УДК 519.876.5 Цифровое имитирование и моделирование систем
Целью исследования является разработка и верификация поведенческих моделей линейного стабилизатора отрицательного напряжения. В настоящей работе представлен процесс создания поведенческих моделей линейного стабилизатора отрицательного напряжения с фиксированным значением выходного напряжения 3,3 В и с регулируемым отрицательным выходным напряжением от значения опорного напряжения 1,25 В до 20 В. В качестве прототипа модели выбран стабилизатор MC79L производства OnSemiconductor и его ближайшие функциональные аналоги LM337L, LT1964, LT3032. Поведенческие модели линейных стабилизаторов реализованы на языке SPICE на основе функциональных блоков, реализующих математические зависимости и ограничения. Моделирование интегральных микросхем проведено во временной области и в статическом режимах в программном комплексе сквозного моделирования OrCad. Верификация моделирования подтвердила адекватность результатов данным, представленным в техническом описании производителей микросхем. Предложенная поведенческая модель линейного стабилизатора может быть применена в современных специализированных САПР схемотехнического и имитационного моделирования при разработке, проектировании и исследовании устройств электропитания радиоэлектронного и промышленного оборудования.
поведенческая модель, Spice-модель, OrCAD, линейный стабилизатор напряжения, интегральная микросхема
Введение
Проектирование систем управления современными вторичными источниками электропитания требует применения специализированных интегральных микросхем (ИМС). Наиболее распространенными ИМС для систем управления вторичными источниками электропитания невысокой мощности являются стабилизаторы линейного или импульсного способов преобразования. Линейные стабилизаторы, в отличие от импульсных [1, 2], менее склонны к возникновению нелинейных динамических режимов, не генерируют высокочастотные помехи в сеть и могут быть использованы в качестве фильтров для импульсных источников питания [3].
Для применения в реальном электронном устройстве ИМС необходимо оценить ее возможности предварительным компьютерным имитационным и схемотехническим моделированием, с помощью системы автоматизированного проектирования (САПР). Моделирование поведения разрабатываемой микросхемы в различных режимах работы позволяет оценить ее параметры и возможность применения в заданных условиях. Возможность корректировать параметры изделий и вносить соответствующие изменения в технологический процесс производства до начала изготовления устройств, предоставленная методами компьютерного моделирования, является для производителей существенным способом снижения трудовых, временных и финансовых затрат.
Поведенческие модели (ПМ), описывают функционал интегральной микросхемы, задают соответствие входных и выходных сигналов системы, имитируя ее работу с заданной точностью. Поведенческие модели могут быть использованы при анализе работы микросхем в режимах по постоянному току, во временной и частотных областях, при параметрическом анализе и других исследованиях. Модели могут имитировать поведение микросхем как при нормальных условиях внешней среды, так и в случае их изменений.
Рассмотренные в настоящей работе ПМ реализованы на языке SPICE, они не учитывают всю внутреннюю логику устройства и все связи, поэтому они не могут быть использованы для дальнейшего синтеза принципиальной схемы. Такая структура модели обусловлена основным ее применением – предварительным моделированием работы устройства для анализа разработанной архитектуры и принятых принципов работы.
Для верификации полученных Spice-моделей с реальными микросхемами моделирование проводилось в программном комплексе Cadence Orcad [4]. Верификация ПМ осуществляется путем сравнения основных электрических характеристик и параметров микросхемы в типовой схеме включения по основным характеристикам, приведенным в техническом описании приборов [5 – 9].
Существуют поведенческие модели интегральных микросхем, представленные в патентной документации и научных публикациях. Известны, реализованные на языке Spice, программные модели, разработанные ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ», имитирующие поведение интегральных микросхем импульсных стабилизаторов напряжения [например, 10], а также созданная разработчиками ФГБОУ ВО «БГТУ» поведенческая модель ШИМ-контроллера [11]. Разработка поведенческих моделей на языке Spice для линейных стабилизаторов напряжения является актуальной задачей. В данной работе представлены этапы создания и верификации поведенческих моделей линейного стабилизатора отрицательного напряжения.
Материалы, модели и методы
В настоящей работе основной целью было создание поведенческих моделей стабилизатора отрицательного напряжения MC79L в двух вариантах исполнения (регулируемое и фиксированное значение выходного напряжения) со следующими основными электрическими параметрами [5]:
|
опорное напряжение |
UОП = - 1,25 В; |
|
выходное напряжение |
UВЫХ = - 3,3 В (фиксированное), |
|
|
UВЫХ = - 1,25 В (UОП) ÷ -20 В (регулируемый); |
|
минимальное напряжение питания |
UПИТ = - 30 В; |
|
ток потребления |
IПОТ = 15 мА; |
|
максимальная рассеиваемая мощность |
РРАС = 5 Вт. |
|
минимальное падание напряжения, типовое значение |
UПДmin = 2 В |
Ближайшими функциональными аналогами этой микросхемы являются микросхемы LM337L, LT1964, LT3032, а также микросхемы 5348ЕР025 (регулируемый вариант выходного напряжения) и 5348ЕМ025 (фиксированный вариант выходного напряжения) производства АО «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ» [9].
Основываясь на данных технического описания микросхем линейных стабилизаторов, осуществлялся поиск и разработка оптимальных структур схем замещения поведенческих моделей.
Функциональные схемы микросхем линейных стабилизаторов отрицательного напряжения представлены на рис. 1. В табл. 1 представлено назначение выводов микросхемы.
а) б)
Рис. 1. Схема электрическая функциональная микросхем стабилизаторов MC79L:
а – для регулируемого варианта; б – для нерегулируемого варианта
Fig. 1. Electrical functional circuit of MC79L regulator IC:
a – for the adjustable option; b – for the unregulated option
Таблица 1
Назначение выводов микросхемы МС79L
|
Номер вывода |
Назначение вывода |
Рисунок |
|
1 |
Выход, (OUT) |
а, б |
|
2 |
Вход регулировки обратной связи, (ADJ) |
а |
|
Вход обратной связи, (Sens) |
б |
|
|
3 |
Вход, (IN) |
а, б |
|
4 |
Свободный, NC |
а, б |
|
5 |
Общий вывод, 0V |
а, б |
Типовые схемы включения микросхемы линейного стабилизатора показаны на рис. 2.
а) б)
Рис. 2. Типовая схема включения микросхемы MC79L:
а – для регулируемого выходного напряжения; б – для фиксированного выходного напряжения
Fig. 2. Typical circuit of the MC79L IC:
a – for adjustable output voltage; b – for fixed output voltage
На основе типовой функциональной схемы линейного стабилизатора [12], с учетом функциональных (см. рис. 1) и типовых схем включения ИМС (см. рис. 2), разработаны схемы замещения поведенческих моделей для двух вариантов исполнений стабилизатора: с фиксированным значением выходного напряжения и регулируемым значением выходного напряжения.
Схема замещения поведенческой модели ИМС MC79L с фиксированным выходным напряжением представлена на рис. 3.
Рис. 3. Схема замещения поведенческой модели ИМС MC79L с фиксированным выходным напряжением
Fig. 3. Substitution scheme of the MC79L IC behavioral model with a fixed output voltage
Структура построена на базе стандартных математических блоков, на ограничителях, зависимых источниках и пассивных элементах. В структуре присутствуют элементы, моделирующие ток потребления микросхемы (G2 и G3), обратные связи по выходному напряжению (сигнал ОС по напряжению формируется делителем R2-R1), схема защиты по току и защита от короткого замыкания (построена на основе блока ESC Current limiting и его обвязки), схема ограничения мощности (блок ESC Power limiting с обвязкой). Структура имитирует поведение линейного стабилизатора во временной области и в режиме работы по постоянному току, а ограничения прописаны внутри управляемых источников математическими соотношениями.
Для пользования моделью с целью разработки законченных электронных устройств, представленная на рис. 3 схема замещения была преобразована в схему (рис. 4), где модель микросхемы оформлена в виде отдельного компонента с описанием на языке Spice. Модель ИМС реализована на основе списка соединений схемы замещения поведенческой модели, а условно-графическое обозначение сформировано с помощью PSpiceModel Editor, входящего в программный комплекс OrCad.
Рис. 4. Модель типовой схемы включения микросхемы MC79L с фиксированным выходным напряжением -3,3 В
Fig. 4. Model of a typical MC79L IC t with a fixed output voltage of -3.3 V
Схема замещения поведенческой модели для регулируемого случая выходного напряжения представлена на рис. 5. В схеме появились блоки, которые формируют задание на выходное напряжение согласно выражению UВЫХ = UОП · (1 + R1/R2). На рис. 6 представлена модель типовой схемы включения регулируемого варианта стабилизатора.
Рис. 5. Схема замещения поведенческой модели ИМС MC79L с регулируемым выходным напряжением
Fig. 5. Substitution scheme of the MC79L IC behavioral model with adjustable output voltage
Рис. 6. Модель типовой схемы включения микросхемы ИМС MC79L с регулируемым выходным напряжением
Fig. 6. Model of a typical MC79L IC circuit with an adjustable output voltage
Результаты
Верификация моделей проведена в сравнении с данными из технического описания микросхемы MC79L, а также микросхем аналогов. На рис. 7 – 11 представлена часть результатов моделирования работы ИМС в типовой схеме включения.
Так, на рис. 7 представлена зависимость выходного напряжения стабилизатора от входного, из которого видно, что в рабочем диапазоне входного напряжения напряжение на выходе поддерживается на уровне минус 3,3 В.
Рис. 7. Выходное напряжение стабилизатора с фиксированным выходным напряжением при токе 100 мА
Fig. 7. The output voltage of the stabilizer with a fixed output voltage at a current of 100 mA
На рис. 8 представлена зависимость ограничения схемой тока короткого замыкания от напряжения. Диаграмма тока, отражающая результат моделирования достаточно хорошо повторяет данные из технического описания микросхемы аналога MC79L.
а) б)
Рис. 8. Результат сравнения критического тока модели линейного стабилизатора MC79L (а) и ИМС аналога [5] (б)
Fig. 8. The result of comparing the critical current of the MC79L linear regulator model (a) and the analog IC [5] (b)
Моделирование в среде OrCad позволяет проводить параметрический анализ работы приборов и устройств. На рис. 9 представлены результаты моделирования, отражающие напряжение на входе схемы, выходное напряжение стабилизатора, а также падение напряжения на стабилизаторе при сопротивлении нагрузки 100 Ом и отношении резисторов R1/R2 = 3.
Рис. 9. Результаты измерений:
1 – изменение напряжения на входе схемы; 2 – падение напряжения на стабилизаторе; 3 – выходное напряжение стабилизатора
Fig. 9. Measurement results:
1 – voltage change at the input of the circuit; 2 – voltage drop on the regulator; 3 – regulator output voltage
На рис. 10 представлено семейство значений выходного напряжения линейного стабилизатора с регулируемым выходом. Данная диаграмма получена методом параметрического анализа по величине номинала резистора R1. Изменяя соотношение величин резисторов R1 и R2 получаем значения выходного напряжения согласно выражению UВЫХ = UОП (1 + R1/R2) в пределах заданных характеристик микросхемы.
Рис. 10. Семейство выходных напряжений стабилизатора с регулируемым выходным напряжением при сопротивлении нагрузки 200 Ом и соотношении резисторов R1/R2 от 1 (график 1) до 15 (график 2)
Fig. 10. A family of output voltages of a regulator with an adjustable output voltage at a load resistance of 200 ohms and a ratio of resistors R1/R2 from 1 (graph 1) to 15 (graph 2)
На рис. 11 представлена работа модели стабилизатора во временной области. На вход подается напряжение с постоянной составляющей 20 В и синусоидальной огибающей амплитудой 2 В, имитирующей нестабильность входного напряжения. На выходе нестабильность напряжения по амплитуде измеряется в тысячных долях вольта (увеличение масштаба представлено в правой части графика выходного напряжения), что подтверждает высокий коэффициент стабилизации ИМС, соответствующий техническим данным производителя.
Рис. 11. Работа модели стабилизатора во временной области
Fig. 11. Operation of the regulator model in the time domain
Результаты моделирования работы модели стабилизатора во временной области и в режиме по постоянному току (DC sweep) подтверждают, что поведенческая модель воспроизводит электрические характеристики интегральной микросхемы MC79L и ее аналогов в типовых схемах включения, соответственно ее можно считать верифицированной.
Заключение
Разработанные Spice-модели микросхемы позволяют стороннему разработчику электронных систем выполнять моделирование микросхем линейных стабилизаторов напряжения с заданными параметрами в составе более сложных электрических схем в САПР, ориентированном на язык Spice. Модели позволяют проводить исследование интегральных схем как во временной области, так и в режимах работы по постоянному току.
Достоинством поведенческих моделей, созданных на языке Spice, является их открытость и возможность модификации для исследования работы приборов при изменяющихся внешних воздействиях.
Поведенческая модель выполнена на базе стандартных математических блоков, на ограничителях, зависимых источниках и пассивных элементах, что позволяет ускорить моделирование по сравнению с моделями ИМС, выполненными на транзисторах.
Результаты верификации разработанной полезной модели микросхемы MC79L показывают, что поведенческая модель воспроизводит электрические характеристики реальной интегральной микросхемы MC79L и ее аналогов в типовой схеме включения.
1. Andriyanov A.I. Parameters adaptation for target-oriented control of the buck converter // International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Moscow: IEEE, 2016. P. 1-6.
2. Andriyanov A.I. A comparative analysis of efficiency of nonlinear dynamics control methods for a buck converter // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Institute of Physics Publishing, 2017. P. 1-9.
3. Буквин А. Линейные стабилизаторы в качестве фильтров в импульсных источниках питания // Компоненты и технологии. 2019. № 9(218). С. 16-17.
4. OrCAD | PCB Design Software and Schematic Editor [Электронный ресурс]. URL: https://www.orcad.com (дата обращения: 24.04.2023)
5. MC79L Linear Voltage Regulator, 100 mA, 5 V, Negative. URL: https://www.onsemi.com/download/data-sheet/pdf/mc79l00-d.pdf (дата обращения 24/04/2023)
6. LT1964. 200mA, Low Noise, Low Dropout Negative Micropower Regulator in ThinSOT. URL: https://web.archive.org/web/20170316192751/http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1964fb.pdf (дата обращения: 24.04.2023).
7. LM337L 3-Terminal Adjustable Regulator datasheet. URL: https://www.ti.com/lit/gpn/lm337l (дата обращения 24.04.2022)
8. LT3032 Series - Dual 150mA Positive/Negative Low Noise. URL: https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/3032ff.pdf (дата обращения 24.04.2022)
9. Новые разработки 2023. [Электронный ресурс]. URL: https://group-kremny.ru/katalog-izdeliy-elektronnoy-tekhniki/Новые%20разработки%202023.pdf (дата обращения: 24.04.2023)
10. Программа для ЭВМ RU 2018616743. Программный модуль, имитирующий поведение интегральной микросхемы TL494 в различных режимах работы / Амелин С.А., Амелин А.С.; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» (RU). - 2018616743; заявл. 17.04.2018; опубл. 06.06.2018 - 1 с.
11. Школин А.Н. Разработка и тестирование поведенческой модели интегральной микросхемы 5340ЕУ01х /С.В. Седых, А.Н. Школин // САПР и моделирование в современной электронике. Брянск. 2020 г. С. 252-256.
12. Xоровиц П, Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ. Изд 2-е. Издательство БИНОМ. 2014, 704 с.
