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:
- структурно проектиране – делене на системата на хардуер и програмна част;
- функционално-логическо – симулация на логиката и времената;
- схемотехническо – схемата и анализите в PSpice;
- топологично – платката (фотошаблоните);
- 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:
- нов проект – File → New → Project, „Analog or Mixed A/D“;
- елементите – Place → Part от библиотеките: SOURCE (VDC), ABM (CONST, MULT, GLIMIT…, тема 13);
- връзките – Place wire. Net Alias свързва проводници с еднакви имена, без да се чертаят. Маса е 0/SOURCE;
- симулацията – PSpice → New Simulation Profile → тип анализ → Run. Резултатите се гледат в Probe.
| Анализ | Какво прави | В нашия симулатор |
|---|---|---|
| Bias point | работна точка по DC: C е прекъсване, L е късо; прави се винаги първи | работната точка – мостовете в теми 1 и 6 |
| DC sweep | мени източник през обхват → предавателна характеристика | DC проходът – TTL в АЦУ, тема 16 |
| Time domain (transient) | U и I във функция на времето | преходният анализ – фигура 1 тук |
| AC sweep | линеен анализ по честота около работната точка | честотният 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.
изход D·Vin
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.
изход / ключ
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.