Математическая морфология.

Электронный математический и медико-биологический журнал. - Т. 12. -

Вып. 4. - 2013. - URL:

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTM

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-40-html/TITL-40.htm

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-40-html/cont.htm

УДК 621.3.07

МАКРОМОДЕЛЬ ШИМ-КОНТРОЛЛЕРА UCC3800 ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММЫ MICRO‑CAP

Ó 2013 г. Амелина М. А., Фоменкова Е. О.

(amelina.doc)

В работе изложен способ синтеза макромодели ШИМ-контроллера UCC3800 с применением упрощенных функциональных блоков. Предлагаемая модель отвечает требованиям точности, экономичности ресурсов ПК и отражает работу ШИМ-контроллера в стационарных и аварийных режимах. Макромодель может быть использована при математическом моделировании импульсных стабилизаторов напряжения со схемой управления, включающей данный ШИМ-контроллер.

Ключевые слова: ШИМ-контроллер, UCC3800, макромодель.

За прошедшие три десятилетия ШИМ-контроллеры прошли большой путь развития от выпуска в 1975 году первой интегральной схемы, ставшей основой для построения импульсных источников питания, до создания целого промышленного направления интегральных схем (ИС) для источников питания, объем рынка которых в настоящее время измеряется миллиардами долларов[1]. В настоящее время ШИМ-контроллеры выпускаются не только в виде отдельных интегральных схем, они также входят в состав разнообразной продукции для источников питания (ИС и модули DC/DC-преобразователей, контроллеры батарейных источников питания, специализированные ИС источников питания и т.п.), а также микроконтроллеров и программируемой логики.

В связи с их широкой применимостью представляет интерес создание простых и в то же время точных математических моделей ШИМ-контроллеров, которые могут имитировать работу реального устройства. При создании моделей необходимо не только сформировать основной алгоритм работы ШИМ-контроллера, но и обеспечить работоспособность созданной схемы во всех режимах, в которых используется реальная микросхема, и сделать это с минимальными вычислительными затратами. Построение таких моделей с использованием стандартных библиотек компонентов значительно усложняет схему, что вызывает расходимость расчетов при анализе и, следовательно, ее неработоспособность. Увеличение скорости моделирования и достижение лучшей сходимости расчетов достигается путем моделирования ШИМ-контроллеров с использованием упрощенных функциональных блоков [2].

Маломощный ШИМ-контроллер UCC3800 фирмы TexasInstruments (рис. 1) работает в режиме управления CurrentMode, что предполагает широтно-импульсное регулирование проводящего состояния силового ключа с местной обратной связью по амплитудному току дросселя [3]. Это обеспечивает ему большее быстродействие по сравнению с контроллерами, работающими в режиме VoltageMode, так как стабилизатор в этом случае реагирует на изменение тока ключа. При этом практически отсутствует перерегулирование выходного напряжения.

$D:\`DOC\LECTIONS\МММ\КР\01_Модели ШИМ-контроллеров\Datasheet для КР_МММ\04_UCC3800\00_UCC3800_Block Diagram.gif$

Рисунок 1 —Функциональная схема ШИМ-контроллера UCC3800

ШИМ-контроллер UCC3800 состоит из базовых узлов: генератора тактовых импульсов, усилителя сигнала ошибки, компаратора, RS-триггера и различных систем защиты.

Коммутация силового ключа происходит с определенной тактовой частотой. Генератор начинает каждый цикл, устанавливая высокий уровень на выходе триггера-защёлки ШИМ, открывая тем самым выходной ключ. Усилитель ошибки вырабатывает сигнал, который используется для сравнения с сигналом, зависящим от тока дросселя. Когда этот сигнал сравняется с сигналом ошибки, компаратор сбрасывает в низкий уровень триггер-защёлку выхода и ключ закрывается.

Система защиты ШИМ-контроллера состоит из систем отслеживающих напряжение питания устройства, опорное напряжение, а также превышение допустимого уровня тока в силовой части. Схема блокирует работу контроллера, пока входное напряжение ниже 7,2 В. Блокировка осуществляется с гистерезисом 0,3 В, чтобы шумы или медленное нарастание входного напряжения не привели к нестабильности в работе устройства

Кроме того, в ШИМ-контроллере UCC3800 предусмотрен плавный пуск. При подаче напряжения питания на микросхему происходит заряд конденсатора источником постоянного тока. Напряжение на конденсаторе, плавно нарастая, первоначально, при напряжении 0,5 В и отсутствии неполадок в устройстве, производит сброс RS-триггеров, а при достижении 4 В, устанавливает на выходе нижнего RS-триггера высокий логический уровень. При превышении напряжения на конденсаторе 4 В и при неполадках в работе ШИМ-контроллера, открывается биполярный транзистор, через который происходит разряд конденсатора.

Рассмотрим поблочное построение математической модели UCC3800 с использованием специализированной библиотеки компонентов программы Micro-Cap.

Генератор импульсов является источником коротких импульсов с тактовой частотой, задаваемой внешней RC-цепью. В виду сложности блок‑схемы контроллера структура генератора должна быть максимально простой и стабильной. Она состоит из интегрирующей цепочки; ключа с гистерезисом, управляемого напряжением; и компаратора (рис. 2, а).

$C:\Institute\5-6 curs\статьи\заготовки статей\Фоменкова_для статьи про ШИМ-К\Составные части ШИМ-К\01_UCC3800_Clock Generator_Waveform.gif$

а б в

$D:\`STUDENT\2012-13_1\ПЭ-08М\Фоменкова ЕО\МММ\КР\My\Фоменковой послала по почте\Фоменкова_для статьи про ШИМ-К\Составные части ШИМ-К\01_UCC3800_Clock Generator_Freq.gif$

г д

Рисунок 2 — Генератор тактовых импульсов ШИМ-контроллера: а – модельная схема; б – временные диаграммы работы модели; в – диаграммы работы генератора ИМС UCC3800; г – зависимость частоты генерируемых импульсов модели от сопротивления Rt; г – зависимость частоты тактов импульсов микросхемы UCC3800 от Rt, Ct

Ключ S₁ работает в режиме гистерезиса. При прохождении нарастающим управляющим сигналом значения VT+VH сопротивление ключа резким скачком уменьшается, а при прохождении убывающим управляющим сигналом значения VT-VH скачком возрастает. Далее напряжение с ключа поступает на неинвертирующий вход компаратора, где сравнивается с V₂, что позволяет сформировать на выходе блока импульс определенной ширины (рис. 3).

Рисунок 3 — Временные диаграммы работы генератора, полученные в Micro-Cap

Одним из необходимых элементов структуры ШИМ-контроллера является усилитель сигнала ошибки или усилитель рассогласования (УР). Исходя из требований точности и, в то же время, минимизации вычислительных затрат и хорошей сходимости расчетов, модель УР должна быть максимально упрощена.

Поскольку усилители рассогласования имеют нестандартную передаточную характеристику, то их целесообразно моделировать табличным источником, а АЧХ формировать RC-цепями как фильтр нижних частот. Однако такая модель дает неправдоподобно малую скорость нарастания выходного напряжения, поэтому оптимальным вариантом будет являться усилитель рассогласования на основе классической структуры макромодели операционного усилителя. При этом можно использовать упрощенные макромодели операционного усилителя К. Бассо [4]. Данная модель является приемлемой для подавляющего большинства случаев. Ниже приведена расшифровка параметров модели УР:

.HELP VHIGH «Максимальное выходное напряжение»

.HELP VLOW «Минимальное выходное напряжение»

.HELP POLE «Первый полюс АЧХ в Гц»

.HELP GAIN «Коэффициент усиления на постоянном токе при разомкнутой ОС (по умолчанию 90 дБ)»

ISINK моделирует ток УР, втекающий в схему, при выходном напряжении низкого уровня.

ISOURCE моделирует ток УР, вытекающий из схемы, при выходном напряжении высокого уровня.

Блок усилителя-ограничителя сигнала ошибки (УСО) строился с использованием справочных данных микросхемы и рис. 4.

Рисунок 4 — Частотные характеристики УР, определенные в технической документации

Рисунок 5 — Блок усилителя-ограничителя сигнала ошибки УСО (на схеме показаны также результаты DynamicDC-анализа)

При синтезе модели изменением параметров Vhigh, Vlow добивались соответствия справочной таблице параметров (рис. 6). При этом на выходе данного блока (узел А) при высоком уровне напряжения с УСО должно получаться примерно 1,25 В, при низком — приблизительно 0 В.

Рисунок 6 — Передаточные характеристики УР отдельно и блока УСО

Изменением параметров GAIN и POLE было достигнуто совпадение АЧХ модели с АЧХ реального усилителя рассогласования (ср. рис. 7 и рис. 4).

Рисунок 7 — Полученные частотные характеристики модели
усилителя рассогласования УР

ШИМ-контроллер UCC3800 поддерживает маскирование переднего фронта на входе контроля тока (leadingedgeblanking), которое заключается в блокировке токового сигнала на заданное время (100 нс) после нарастающего фронта ШИМ-сигнала (рис. 8).

Рисунок 8 — Диаграммы работы схемы маскирования переднего фронта реальной микросхемы

Для осуществления маскирования токового выброса сигнала датчика тока (leadingedgeblanking) сигнал с вывода k управляет ключом, коммутирующим напряжение с вывода датчика тока CS (рис. 13). Временные диаграммы работы схемы представлены на рис. 10.

Рисунок 9 — Схема маскирования переднего фронта

Рисунок 10 — Временная диаграмма блокировки токового сигнала

Схема ШИМ-контроллера также включает в себя также блок защиты от неполадок в системе питания и систему плавного пуска (рис. 11).

Рисунок 11 — Блок защиты от неполадок в системе питания и система плавного пуска

При подаче напряжения питания на вход Vcc ШИМ-контроллера оно ограничивается до 13,5 В. Опорное напряжение Vref снимается с ограничителя Х2.

При недостаточном напряжении на входе питания или опорного напряжения, а также в случае поступления высокого уровня напряжения с датчика тока, на выходе логического элемента X5 формируется сигнал логической единицы, препятствующий сбросу RS-триггеров и устанавливающий логическую единицу на выходе X11.

Система плавного пуска состоит из конденсатора, заряжающегося источником тока и ключа, управляемого логикой. При достижении напряжения на конденсаторе Css 0,5 В на вход R триггера Х12 поступает логический 0. При достижении напряжением на конденсаторе C1уровня 4 В на выходе триггера Х12появится высокий уровень. Напряжение на конденсаторе через эмиттерный повторитель (на рис. 11 не показан, см. рис. 13) управляет выходом УСО — обеспечивает плавное нарастание напряжения на втором входе компаратора. Время этого нарастания напряжения составляет 4 мс, что определяет длительность плавного старта-рестарта.

Сигналы высокого уровня с триггеров X11 и X12 поступают на логический элемент 2И и открывают ключ для разряда конденсатора.

Временные диаграммы работы блока защитного рестарта приведены на рис. 12.

Рисунок 12 — Временные диаграммы работы системы защиты – плавного рестарта

Полная макромодель ШИМ-контроллера (рис. 13) состоит из блоков, подробно рассмотренных выше. При этом были сделаны ряд допущений и упрощений, в частности все транзисторные ключи, логические элементы и компараторы были заменены на идеальные.

$D:\`STUDENT\2012-13_1\ПЭ-08М\Фоменкова ЕО\МММ\КР\My\RIS\01_02.gif$

Рисунок13 —Макромодель ШИМ-контроллера UCC3800

Построенная макромодель была оформлена в виде библиотечного компонента с расширением .MAC и включена в библиотеку моделей ШИМ‑контроллеров для программы Micro-Cap.

Для проверки работоспособности полученной модели проведено моделирование повышающего стабилизатора с входным напряжением 12 В и выходным напряжением 48 В (рис. 14). Предварительно были определены параметры корректирующей цепиR2-C1-C2 [4] и заданы в виде номиналов соответствующих внешних пассивных компонентов (рис. 14). После этого путем имитационного моделирования переходных процессов (режим Transient) в среде программы Micro-Cap 10были получены пусковая характеристика (рис. 15) и временные диаграммы стационарного режима импульсного стабилизатора (рис. 16).

$D:\`STUDENT\2012-13_1\ПЭ-08М\Фоменкова ЕО\МММ\КР\My\RIS\02_01.gif$

Рисунок14 — Полная имитационная модель BOOST-стабилизатора на основе UCC3800

Рисунок15 — Выходное напряжение и ток дросселя при пуске

Рисунок 16 — Диаграммы стационарного режима работы стабилизатора

Полученные временные диаграммы подтверждают адекватность построенной макромодели, т.к. значение выходного напряжения в установившемся режиме полностью совпадает с расчетным и равно 48 В, временные диаграммы работы микросхемы полностью соответствуют фирменной справочной информации.

Ниже (рис. 17) показаны временные диаграммы напряжения на выходе и тока дросселя при возникновении аварийной ситуации — короткого замыкания в нагрузке. Видно что во время короткого замыкания, напряжение на выходе уменьшается из-за отключения цепи отрицательной обратной связи по напряжению, силовой ключ не коммутируется (находится в выключенном состоянии). После ликвидации короткого замыкания запускается схема плавного рестарта и импульсный источник без перерегулирования выходит на точку стабилизации.

Рисунок 17 — Напряжение стабилизации и ток дросселя при возникновении
короткого замыкания в нагрузке

Разработанная модель ШИМ-контроллера может успешно применяться при анализе, моделировании и проектировании импульсных стабилизаторов напряжения с местной обратной связью по току дросселя, т.е. преобразователей напряжения, работающих в так называемом режиме CurrentMode.

Литература

1. Староверов, К. ШИМ-контроллеры TexasInstruments // Новости электроники. — 2007. — №3(29) — С. 12 – 15.

2. АмелинаМ.А. Программа схемотехнического моделирования Micro-Cap 8.— М.: Горячая линия-Телеком, 2007. — 464 с.: ил.

3. Datasheet UCС3800. TEXAS INSTRUMENTURL: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ucc3800.pdf (дата обращения: 23.10.2012).

macromodel of PWM controller UCC3800 for modeling switching voltage regulators using the program micro-cap

Amelina M. A., Fomenkova E. O.

In this abstract is stated the method of developing UCC3800 PWM controllermacro modelusing a simplified functional blocks. The proposed model meets the requirements of accuracy, efficiency of PC resources and reflects the work of the PWM controller in stationary and emergency modes. Macro model can be used in mathematical modeling of switching voltage regulators with a control circuit consisting of given PWM controller.

Key words: PWMcontroller, UCC3800, macro.

Филиал ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет» МЭИ» в г. Смоленске

Поступила в редакцию 12.12.2013.