Počítačové cvičení BNEZ 2 Snižující měnič Úkol 1: Úkol 2: Úkol 3: Úkol 4: Úkol 5: Dle schématu na Obr. 2 zakreslete v programu OrCAD Capture obvod snižujícího DC-DC měniče. Měnič má mít následující parametry: vstupní napětí měniče je 9 až 16V, výstupní napětí 5V, dovolené zvlnění 100 mv a výstupní proud 1,25A. Pracovní frekvence měniče je 260 khz. Jako tranzistor použijte MOSFET typu NDB4050/FAI (knihovna Fairchild), použijte Schottkyho diodu typu 1N5821 (knihovna DIODE, součástka D1N5821). Zobrazte časové průběhy napětí a proudu v obvodu (samostatný graf pro proudy a samostatný pro napětí). Pro počáteční odhad hodnoty indukčnosti použijte vztah (3). Odhadněte vhodnou indukčnost cívky tak, aby zvlnění napětí (proudu) na výstupu měniče bylo cca 3-6 krát větší, něž požadované zbývající zvlnění bude odstraněno kondenzátorem (analýza Timedomain / Parametric Sweep). Proud cívkou během periody nesmí klesnout na nulovou hodnotu (nesmí být přerušen) k tomu dojde v případě příliš malé indukčnosti. Paralelně k zátěži zapojte kondenzátor a stanovte jeho minimální hodnotu pro dosažení požadovaného zvlnění (maximálně 100 mv) pro vámi vybranou hodnotu indukčnosti (analýza Timedomain / Parametric Sweep). Při vstupním napětí 16V zjistěte účinnost měniče v závislosti na velikosti zátěže pro hodnoty zatěžovacích rezistorů 2 Ω, 4 Ω a 8 Ω (analýza Timedomain / Parametric Sweep). Jako celkový příkon uvažujte výkon stejnosměrného zdroje (P DC ), užitečný výkon je výkon na zatěžovacím rezistoru (P RZ ). PRZ 100% PDC Zjistěte, zda jsou překročeny mezní parametry polovodičových součástek při zátěži 2 Ω (proudové přetížení měniče o 100%). Proveďte korekci vztahu pro výpočet střídy tak, aby napětí na výstupu bylo skutečně požadovaných 5V. Korekce spočívá v opravě členu vstupního napětí, které je sníženo o úbytek napětí na spínacím tranzistoru (protéká jím proud zátěže, přibližný odpor sepnutého tranzistoru naleznete v katalogovém listu). Správnost korekce ověřte časovou simulací zdroje pro různá vstupní napětí (několik v rozsahu 9 až 16V).
Snižující neinvertující měnič (step-down converter) Obecné schéma neinvertujícího snižujícího měniče je na Obr. 1. V praxi je spínač realizován kombinací TRANZISTOR + DIODA (Obr. 2). Obr. 1. Principielní schéma snižujícího neinvertujícího měniče Obr. 2. Schéma snižujícího měniče se spínacím tranzistorem a diodou Napětí na výstupu lze v ideálním případě pospat vztahem t1 U2 U X U1 U1 (1) t1 t2 kde t 1 je doba sepnutí spínače v poloze 1-3 a doba t 2 je doba sepnutí spínače v poloze 2-3 v t1 rámci periody spínání T t 1 t2. Poměr s se označuje jako střída. Hodnotu potřebné T střídy určíme ze znalosti vstupního a výstupního napětí vztah (1). Pro zvlnění výstupního proudu platí vztah U 1 U2 t1 U1 1 s s I (2) L f L kde f je pracovní kmitočet měniče. Vyhledáním maxima zvlnění (funkce I ) v závislosti na s zjistíme, že největší zvlnění nastává pro střídu s 0, 5. Odtud lze odvodit minimální požadovanou hodnotu indukčnosti pro dané proudové zvlnění U1 Imax pro s 0, 5 (3) 4 f L Tranzistor je třeba proudově dimenzovat na střední hodnotu proudu I 2, diodu pak na proud I2 1 s pro nejmenší s, kterého může být během normální funkce měniče dosaženo (vlivem regulace). Napěťově je třeba diodu i tranzistor dimenzovat na dvojnásobek vstupního napětí U 1.
Poznámky ke schématu (Úkol 1) Pro simulaci realizujte stejnosměrný zdroj napětí (U1) pomocí součástky VDC a napětí definujte parametrem VDC_in. Zátěž měniče je tvořena rezistorem (odpor 4 Ω pro proud 1,25A při napětí 5V). Spínací tranzistor ovládejte zdrojem VPULSE zapojeným mezi svorky G a S. Perioda spínání PER bude dána frekvencí 260 khz (vhodné zadat pomocí parametru). Ovládací napětí nastavte na 0V (V1; vypnuto) a 10V (V2; zapnuto), doba náběžné hrany (TR) i sestupné hrany (TF) bude 0,1 μs. Dobu trvání spínacího pulzu PW nastavte vzorcem podle vztahu (1) (využijte střídu a frekvenci jako parametry). Samotnou střídu definujte podle vztahu Obr. 3. Zapojení zdroje spínacích pulzů (emulace řídicího obvodu měniče)
Použití součástky PARAMETERS Speciální součástka PARAMETERS představuje blok pro deklaraci uživatelem definovaných globálních hodnot (proměnných). Ty je možné s výhodou použít pro definici hodnot součástek, parametrů zdrojů a podobně. Výhoda použití takové definice oproti přímému zadání hodnoty spočívá především v možnosti snazší parametrické simulace a přehlednějšího zápisu. Součástka je dostupná pod názvem PARAM v knihovně SPECIAL (soubor special.olb ve složce C:\...\OrCAD_xx\tools\capture\library\pspice). Obr. 4. Symbol součástky PARAM Deklarace nové hodnoty (proměnné/konstanty) se provádí po otevření vlastností součástky (dvojklik, případně pravým tlačítkem myši a zvolit příkaz Edit Properties ). Novou hodnotu je možné zadat po kliknutí na tlačítko New Column. Obr. 5. Přiřazení hodnoty novému parametru Pokud chceme nově zadaný parametr vidět přímo ve schématu v rámci symbolu PARAM (což je výhodné), je třeba ještě nastavit jeho viditelnost. Vybereme parametr (například právě vytvořený R_zatez) a pomocí tlačítka Display nastavíme viditelnost jeho jména i hodnoty. Obr. 6. Nastavení viditelnosti parametru ve schématu
Obr. 7. Symbol PARAM včetně hodnoty globálního parametru R_zatez Hodnotu z tabulky PARAMETERS je možné použít jako hodnotu součástky. V takovém případě je třeba jméno parametru zapsat ve složených závorkách. Dovoleny jsou i matematické operace. Obr. 8. Součástka s hodnotou uvedenou v tabulce parametrů Podobně lze definovat i samotné parametry pomocí jiných parametrů. Obr. 9. Definice hodnoty parametru pomocí hodnoty jiného parametru a matematických operací
Parametrická simulace Často je třeba znát chování obvodu pro různou hodnotu parametru součástky (například různý zatěžovací odpor). V takovém případě je možné rozšířit simulaci o Parametric Sweep, což nám umožní současné zobrazení všech průběhů současně pro různé hodnoty vybraného globálního parametru (zadaného pomocí pseudosoučástky PARAM). Obr. 10. Nastavení parametrické simulace pro různou hodnotu rezistoru R_zatez (pro hodnoty vypsané v řádku Value list)