Проектирование DC/DC-преобразователей в системе WEBENCH Design Center

В статье описываются особенности компью­терного проектирования DC/DC-преобразовате­лей с помощь среды WEBENCH Design Centerот Texas Instruments Inc.

Haпервый взгляд проектирование источников питания на основе импульсных DC/DC-преобразо­вателей не является сверхзадачей. Их топология известна, выбор ИМС весьма широк, а в специфи­кациях приведены типовые схемы. Проблема воз­никает, как только мы реально подходим к выбору элементов преобразователя и его расчету. Имеет­ся в виду оценка реализуемости преобразовате­ля для необходимого диапазона входных напряже­ний, выбор соответствующих для этой цели элементов схемы. Вот здесь оказывается не все ясно и просто. Например, вычисление параметров катушки индуктивности оказывается сложным и неоднозначным. А если необходимо спроектиро­вать преобразователь, работающий в широком диапазоне не только входного напряжения, но и токов нагрузки? А если необходимо его оптимизи­ровать по эффективности (к.п.д.)? И таких «если» возникает очень-очень много. Можно, конечно, на­купить ИМС, спаять отладочные платы и занимать­ся «колдовством». Более правильный путь — это использовать компьютерные программы для мо­делирования. Они значительно облегчат решение вашей задачи и обеспечат выбор оптимального ее решения.

Одной из таких программ является мощный ин­женерный on-lineкалькулятор в системе WEBENCH Design Centerот Texas Instruments Inc, который да­ет выбор из более чем 24 ООО компонентов от бо­лее чем 120 производителей. Калькулятор был разработан после поглощения TexasInstrumentsкомпании NationalSemiconductor, которая предла­гала его прототип «LM267XMadeSimple» (послед­няя версия 6.3.1 январь 2005), до настоящего вре­мени он доступен для свободного скачивания на сайте TexasInstruments.

Для входа в систему проектирования WEBENCH Design Center необходимо войти на сайт TexasIn­struments (http://www.ti.com) и пройти несложную регистрацию. Регистрация осуществляется через «my.TILogin». Без регистрации вы сможете начать работать, но только до момента вывода выбранно­го вами варианта схемы. В верхней строке сайта можно выбрать отображение информации на «рус­ском» языке. Русификацию можно сделать на лю­бом этапе работы, кроме технической помощи, но не во всех разделах программы она будет полезна, лучше использовать программу на родном ан­глийском.

 

Начало работы

Режим расчета источников питания Power включен по умолчанию (рис.1). Необходимо за­дать: тип преобразователя (для DC/DCставится точка на DC, для AC/DC- точка на АС); входное на­пряжение V_jn (min— минимальное, max— макси­мальное); параметры основного выхода Output— напряжение (V_out ) и ток (l_out); желаемую темпера­туру окружающей среды AmbientTemp. После этого необходимо осуществить выбор — будет ли это преобразователь с одним выходом SingleOut­put или он должен быть рассчитана на несколько нагрузок MultipleLoads. В первом случае нажи­маем на Start Design, во втором — на PowerArchi­tect. В этом случае программа перейдет в режим описания и добавки нагрузок. Поскольку этот режим требует общего знания программы, то ее освоение лучше начать с проектирования преоб­разователя с одним выходным напряжением.

Поставим несложную на первый взгляд задачу спроектировать DC/DC-преобразователь с выходным напряжением V_out=8,5 В и током l_Qut=0,3 А, который будет работать при температуре окружа­ющей среды 40°С в условиях свободной конвек­ции. Устройство должно работать в диапазоне входных напряжений V_inmax=13,8Ви\/_inmin =10,5В. Нажимаем Start Designи получаем на экране та­блицу с результатами расчета (рис.2).

Вверху расположены 4 виртуальные кнопки:

New—новое проектирование;

Solutions— решения для поставленной задачи;

Visualizer — визуализатор;

«?» — помощь.

 

 

Режим Visualizer

По умолчанию включен режим Visualizer. Он позволяет осуществить выбор решений по задан­ным критериям. Для этого необходимо обратить­ся к окну Advanced Charting, в нём по осям абс­цисс, ординат и изменяя размер круга можно установить специфические требования к проекту и отфильтровать только нужные результаты.

Области результатов обозначены кругами, на­водя на них курсор, получаем таблицу выбора ре­шений (Solutions), которая выводит только те ре­шения, который попадают под заданный фильтр. Фильтры могут быть заданы по:

• к.п.д. (Efficiency)-,
• занимаемому пространству на печатной пла­те (Footprint);
• частоте преобразователя (Frequency);
• уровню пульсаций выходного напряжения (V_outp—p);

• стоимости (BOM cost);
• по максимальному количеству элементов в схеме (Вот count).

Для удобства можно зацепить мышкой и растя­нуть интересующую вас область графика. Фильтры могут быть установлены и в соответствующих окнах.

 

Окно WEBENCHOptimizer

Оно позволяет оптимизировать решения для выполняемого проекта:

• по стоимости (Lowest BOM Cost);
• наименьшему занимаемому пространству на плате (Smallest Footprint);
• к.п.д. (Highest  Efficiency).

При этом изменение положения движка приво­дит к пересчету решений для проекта.

 

Окно ChangeInputs

Изменение начальных условий осуществляется в окне ChangeInputs (второе слева). Здесь можно поменять любой ранее введенный параметр и, на­жав Recalculate,выполнить перерасчет проекта.

 

Окно FeatureFilters

Далее расположено окно фильтра, описываю­щего параметры ИМС преобразователя, — Featu­re Filters. Здесь можно отфильтровать результа­ты по: приемлемому корпусу ИМС и ее свойствам (возможности включения/выключения, синхрони­зации, наличие выхода ошибки, возможности мяг­кого старта, синхронизации, типа ИМС и т.п.).

 

Окно FilterResults

Следующее окно — это окно фильтров по ре­зультату проектирования — Filter Results. Здесь можно отфильтровать результаты по к.п.д., площа­ди на печатной плате, стоимости, количеству элементов в схеме, пульсации выходного напряже­ния, частоте преобразования, запаса по фазе. Соответствующие движки будут активны, только если это допустимо для выполняемого проекта. Фактически, это более удобная замена визуализатора в окне Advanced Charting.

 

Выбор решения

Итак, все фильтры установлены, нужно сделать выбор. Выбор решения осуществляется по табли­це Solutions. Здесь приведен перечень всех ИМС от TexasInstrumentsи NationalSemiconductor, ко­торые удовлетворяют требованиям проекта. Вы можете оценить решения по большому ряду пара­метров: увидеть схему, узнать площадь, занима­емую на печатной плате, стоимость, к.п.д., узнать количество элементов в схеме и обратиться к ря­ду специфических параметров ИМС без открытия их спецификаций. Если нужна дополнительная ин­формация — установите флажок на Show All Co­lumns. В таблицу добавятся колонки. Обращаю ва­ше внимание на ряд значков в колонке WEBENCHTools (рис.З).

Значки означают (по порядку), что для данной ИМС в системе WEBENCH доступны:

• калькулятор схемы (редактор);
• моделирование температурных характери­стик в системе WebTherm;
• моделирование электрических процессов;
• прямой заказ всех составных частей проекта (ИМС, резисторы, конденсаторы, дроссели и т.п.);
• экспорт схемы в CAD.

Если же вас интересует конкретная ИМС, то ее можно ввести в окно Search, расположенное в верхнем левом углу таблицы Solutions. Общее ко­личество решений, подходящих под ваши требова­ния, показано в графе «Solutions: (ххх found)». Если не устанавливать фильтры, то для нашего слу­чая число подходящих решений — 105. При установ­ке фильтров количество подходящих решений в графе Solutions будет уменьшаться. При необхо­димости можно включить опцию, показывающую дополнительные устройства, которые могут реалиызовать требования проекта Show Additional De­vices. При включении этой опции в таблицу будет выведен ряд ИМС, а сама таблица переключена и примет вид, показанный на рис.4.

Для ИМС, обеспечивающих решение поставлен­ной задачи, в графе Create будет выведено «OpenDesign», для других ИМС эта графа будет пустой. Здесь можно посмотреть варианты решения для проекта как на основе импульсных преобразовате­лей SwitcherSolutions, так и решения на компен­сационных стабилизаторах и устройствах с нес­колькими выходами. В первом случае включаем LDOSolutions, во втором — Multiple Output Devices.

Вернуться на предыдущую страницу можно, ак­тивировав Visualizer. Если вас интересует, поче­му некоторые ИМС не подошли для решения за­дачи, включайте опцию Click to show other parts were not found. Эту опцию можно включить сра­зу при анализе общей таблицы. Особенно она по­лезна в том случае, если вы задали поиск нужной ИМС и она, к вашему удивлению, не была обнару­жена. В этом случай вы обнаружите ее в «отверг­нутых» ИМС и сможете узнать причину.

Вариантов ответов может быть несколько. Как правило, это несоответствие по току (преобразо­ватель оказывается в, так называемом, Continuo­usmode — режиме, при котором ток через индук­тивность не будет уменьшаться до нуля, то есть импульсный режим и регулирование будут отсут­ствовать), несоответствие по входному или выход­ному напряжениям, температуре, а также если та­кая ИМС не поддерживается программой.

Литература:

1. Владимир Рентюк. Проектирование им­пульсных DC/DC-преобразователей в системе WEBENCHDesignCenter// Компоненты и Техно­логии. — 2013. — №6. — С. 128-131.

Автор: Владимир Рентюк, г. Запорожье

Источник: Радиоаматор №4, 2014