Skip to content
СА · Тема 26 · В истинските машини

Захранването на сензорния блок – проектирано на екрана

Преди да има платка, има симулация. Схемата се рисува, пуска се анализ, гледат се кривите и чак тогава се поръчва. В урока минаваме по пътя на проектирането и правим същото, което прави PSpice – само че на понижаващ преобразувател, който от 12 V прави захранване за сензорите, като включва и изключва ключ сто хиляди пъти в секунда.

≈ 4 мин четене∿ 2 живи уредаСамопроверка: 4 въпроса

Пътят на проектирането ​

EDA (Electronic Design Automation) е софтуерът, с който електрониката се проектира по стъпки (design flow). CAD е автоматизираното компютърно проектиране изобщо. Стъпките:

  1. структурно проектиране – делене на системата на хардуер и програмна част;
  2. функционално-логическо – симулация на логиката и времената;
  3. схемотехническо – схемата и анализите в PSpice;
  4. топологично – платката (фотошаблоните);
  5. верификация (DRC) – проверка на правилата: минимални размери, разстояния, широчини на пистите, припокривания.

Системата за CAD има няколко вида осигуряване:

  • методическо – теория, методи, терминология;
  • математическо – модели и алгоритми;
  • лингвистично – езици и термини;
  • програмно – ОС и приложните пакети;
  • техническо – компютрите и периферията.

От нея се иска интерактивност (резултатите се показват графично), поетапна работа, адаптивност и работа на екип по няколко проекта наведнъж.

OrCAD Capture + PSpice накратко:

  1. нов проект – File → New → Project, „Analog or Mixed A/D“;
  2. елементите – Place → Part от библиотеките: SOURCE (VDC), ABM (CONST, MULT, GLIMIT…, тема 13);
  3. връзките – Place wire. Net Alias свързва проводници с еднакви имена, без да се чертаят. Маса е 0/SOURCE;
  4. симулацията – PSpice → New Simulation Profile → тип анализ → Run. Резултатите се гледат в Probe.
АнализКакво правиВ нашия симулатор
Bias pointработна точка по DC: C е прекъсване, L е късо; прави се винаги първиработната точка – мостовете в теми 1 и 6
DC sweepмени източник през обхват → предавателна характеристикаDC проходът – TTL в АЦУ, тема 16
Time domain (transient)U и I във функция на времетопреходният анализ – фигура 1 тук
AC sweepлинеен анализ по честота около работната точкачестотният анализ – фигура 2 тук

Днес OrCAD продължава като OrCAD X. Безплатни алтернативи са PSpice for TI (с модели на чиповете на TI), LTspice и KiCad (с вградения ngspice).

Понижаващият преобразувател ​

Сензорите искат 3,3 или 5 V, а колата и машината дават 12 или 24 V. Резистор би изгорил разликата като топлина. Понижаващият (buck) DC-DC включва ключа за част D от периода и после го изключва. Възелът „sw“ е правоъгълник между 12 V и 0, а LC филтърът оставя само средното: V_out = D·V_in. С идеални ключове загубите са нула. Истинските имат КПД от 85–95 %.

Тук D = 0,4, а честотата на ключа е 50 kHz. Изходът се установява на 4,8 V (D·V_in = 4,8 V). Пулсациите са 30,7 mV, а по формулата – 30,6 mV. При включване изходът надскача до 7,83 V.

Buck – преходен анализ
∿ШИМ 12 V, D = 40 %swL 100 μHC 47 μFтовар 5 Ωизход
01234560510t – време, msu, V
изход D·Vin
Фигура 1.

Включването е като удар по LC кръга (АЦУ, тема 10): изходът надскача и се люлее, докато товарът го успокои. После стои на D·V_in. Пулсациите падат с квадрата на f_s: двойно по-бърз ключ дава 4 пъти по-малко пулсации. Затова днешните преобразуватели работят на стотици kHz и MHz, с малки L и C. Цената са загубите при всяко превключване.

AC sweep: филтърът ​

Колко добре LC филтърът маха честотата на ключа се вижда с AC анализа: колко от всяка честота стига до изхода. Срязването е при f_c = 1/(2π√LC) = 2,32 kHz. Над него филтърът пада с 40 dB на декада.

Buck – AC sweep
1101001 k10 k100 k1 M10 M−500f – честота, Hz (логаритмична скала)K, dBf_cf_s
изход / ключ
Фигура 2.

Около f_c има резонансен пик, същото надскачане като при включването. Колкото по-надясно е f_s от f_c, толкова повече филтърът смачква пулсациите: при f_s 30 пъти над f_c затихването е около 60 dB.

В упражнението се проектира понижаващо-повишаващ контролер LM5176-Q1 (TI): схема и 4-слойна платка (горен слой, вътрешни GND и POWER, долен слой), после DRC. Идеалният buck-boost дава |V_out| = D·V_in/(1 − D): при D < 50 % понижава, при D > 50 % повишава.

Самопроверка ​

1. Buck от 12 V с D = 25 % – какво е изходното напрежение?

V_out = D·V_in = 3 V.

2. С колко падат пулсациите, ако удвоим честотата на ключа?

4 пъти – ΔV/V ~ (f_c/f_s)².

3. Кой анализ се прави винаги първи и защо?

Bias point – работната точка по постоянен ток; от нея тръгват преходният и AC анализът (малосигналните модели са около нея).

4. Какво проверява DRC?

Правилата на платката: минимални размери, разстояния, широчини на пистите, припокривания.