Моделирование импульсных источников, Micro-Cap, OrCad, SwithcCad - попробуем объять необъятное Опции

[AML]

Обсуждаемые вопросы переросли рамки данной темы, и поскольку уважаемый AML сделал интересное бескорысное предложение, предлагаю глубоко уважаемому AML создать в этой ветке тему типа "моделирование импульсных источников в MicroCap". Попутно всем заинтересованным подумать о создании (и структуре) опросника по применяемым деталям и материалам в источниках питания, соотнесенных с их параметрами (мощность, входное и выходное напряжения, токи). С наскоку у меня логически выстроенная структура не получилась (да и опыта создания опросника на форуме нет).

Вполне дельное предложение. Поэтому создаю указанную тему. Может из этого что-нибудь путное да выйдет...

Немного о целях. Я хочу попытаться промоделировать наиболее характерные режимы работы преобразователей напряжения, чтобы продемонстрировать преимущества и недостатки тех или иных топологий преобразователей, а также влияние на процессы в преобразователях паразитных параметров компонентов и методы борьбы с ними. Не знаю, насколько посильная эта задача, но попытаться можно. Надеюсь, что уважаемое сообщество тоже примет в этом процессе посильное участие, поскольку очевидно, что в одиночку я не справлюсь по ряду объективных и субъективных причин. Главная проблема – последний раз я держал в руках паяльник и щуп осциллографа в далеком 1995 году. И с тех пор моя работа ни прямо, ни косвенно не связана не только с преобразовательной техникой, но и с электроникой вообще. В настоящее время я журналист в газете областной администрации. Пишу это к тому, чтобы не было недопонимания – за 12 лет очевидно, что я существенно утратил квалификацию и главное – не могу на практике проверить достоверность результатов, получаемых при моделировании.

Зачем мне все это надо – вразумительно объяснить не могу. Будем считать, что это хобби, замешанное на ностальгии по былым временам. Плюс жалко, что весьма неплохое образование и кандидатская степень, полученные мною в области преобразовательной техники, оказались невостребованными. Я попал в тот «демогфический провал» выпускников начала 90-х, который хорошо виден на возрастной диаграмме участников этого форума (в разделе «опросы»).

Если совместными усилиям в этой ветке появятся демонстрация основных проблем и подводных камней проектирования преобразователей напряжения в моделях для симулятора, то, думаю, это будет неплохое подспорье новичкам. А поскольку это для меня хобби – я вполне могу позволить себе тратить на это время и силы. Правда, очевидно, что все это будет проистекать очень небыстро, поскольку иногда еще и работать надо.

На этом лирическое отступление считаю законченным.



Итак, по теме. Поскольку от уважаемого gyratorа прозвучало предложение сравнивать все на модельках, а уважаемый Прохожий сформулировал преимущества и недостаки флайбека при работе в режиме непрерывных и прерывистых токов, с этого и начнем. (предыстория здесь - http://electronix.ru/forum/index.php?showtopic=39519)

По моему скромному мнению, наиболее предпочтительным будет прерывистый режим, а еще лучше - его предельный случай критический режим, когда следующий цикл начинается сразу после закрывания выходного диода. Поясню свою позицию.
В непрерывном режиме:
1. При достаточно больших выходных напряжениях, обратное напряжение, приложенное к выходному диоду, вызывает ничем неограниченый обратный ток восстановления. Для этих токов времена восстановления, как правило, не оговариваются. Это явление хорошо известно из литературы в виде всплеска тока силового ключа при его открывании. Все это дело сопровождается "звоном", растянутым на время, значительно превышающее время обратного восстановления силового диода.
Попытка борьбы с этим явлением в виде ферритовых "бусинок", одеваемых на выводы диодов или силовых транзисторов, а так же всякого рода снабберы на диодах или силовых ключах однозначно приводят к потере КПД.
2. Помехи на частоте коммутации, особенно после открывания силового ключа, полностью подавить, как правило, не удается.
3. Управление flyback преобразователем более сложное по сравнению с квазирезонансным вариантом, опять же в связи с помехами.
4. Наличие динамических потерь при открывании силового транзистора.

Классические недостатки прерывистого режима:
1. Большие, по сравнению с непрерывным режимом, действующие значения токов.
2. Как следствие больший ток при закрывании силового транзистора.
3. Большие пульсации тока на выходном конденсаторе, что приводит к его удорожанию.
4. Большие изменения индукции сердечника трансформатора, практически от нуля и до максимума, что критично для потерь в сердечнике.

Резюме. Лучше выбирать прерывистый режим, а еще лучше - критический, поскольку в современных условиях транзистор с меньшим сопротивлением канала стоит столько же, что и с большим. Материалы для сердечников нинче обладают очень малыми потерями и хорошо переносят большие приращения индукции.
Согласен, что мое мнение достаточно спорно, поэтому ожидаю конструктивную критику со стороны уважаемого сообщества

Завтра я постараюсь выложить модельки, иллюстрирующие вышесказанное, а пока о методике сравнения.

Несмотря на мое скептическое отношение к комплексному сравнению схем на основе результатов моделирования, сравнение отдельных характеристик и демонстрацию особенностей считаю вполне возможной и весьма полезной в связи с этим хотел бы попросить совета по поводу методики такого сравнения.

Я считаю целесообразным проводить сравнение при трех значениях входного напряжения - 9 В, 24 В и 308 В, четырех значениях выходного напряжения - 5В, 12В, 60В, 300В, четырех значениях мощности 5Вт, 20Вт, 60Вт, 300Вт и трех значениях частоты – 100кГц, 250кГц, 500 кГц. Думаю, при этом можно будет говорить о тенденциях.
Такой сравнительный анализ на идеализированной модели вряд ли представляет практический интерес. Поэтому при расчетах нужно использовать модели реально существующих компонентов. И вот в этом месте мне нужна помощь – я не знаю современную элементную базу. Поэтому буду весьма признателен специалистам за помощь в выборе наиболее типично применяющегося в для каждого из рассмотренных вариантов силового транзистора и выпрямительного диода (синхронное выпрямление пока не рассматриваю).
Хотя бы по некоторым случаям:
Вар. 1. Вх. 9В, вых. 5В, f=250кГц, P=20Вт
Вар. 2. Вх. 9В, вых. 300В, f=250кГц, P=20Вт
Вар. 3. Вх. 24в вых. 5В, f=250кГц, P=60Вт
Вар. 4. Вх. 24в вых. 5В, f=100кГц, P=300Вт
Вар. 5. Вх. 24в вых. 300В, f=100кГц, P=300Вт
Вар. 6. Вх. 300в вых. 5В, f=100кГц, P=60Вт
Вар. 7. Вх. 300в вых. 12В, f=100кГц, P=60Вт
Вар. 8. Вх. 300в вых. 60В, f=100кГц, P=300Вт

Кроме того, буду признателен за любые предложения как по методике, так и по реализуемым вариантам.

[AML]

Да простят меня те, кто хорошо знает Micro-Cap за несколько вводных слов для новичков.
Схемы преобразователей достаточно сложны для моделирования по той причине, что в схеме присутствуют процессы с постоянными времени, отличающимися в тысячи раз. Например, коммутационные процессы в ключах могут располагаться в наносекундном диапазоне, а установление стационарного состояния (установление выходного напряжения) может составлять доли секунды. Расчет выхода на режим преобразователя при включении может занимать достаточно много времени. Поэтому для рассмотрения процессов в схеме приходится применять некоторые приемы специальные приемы.

Во-первых, для обеспечения процессов сходимости расчета нужно скорректировать Global Settings (вызываются пиктограммой G на рабочей панели Микрокапа). Иначе весьма вероятно появление сообщения «матрица сингулярна» и остановка расчета. В восьмой и девятой версиях в установках Global Settings есть специальная заготовка – кнопка Power Default, которая меняет некоторые параметры на более оптимальные для расчета именно силовых схем. Но иногда и этого оказывается недостаточно, тогда требования к точности расчета приходится заглублять еще больше. В соседнем топике уважаемый gyrator приводил возможный вариант установки Global Settings для расчета сложных силовых схем. От себя добавлю, что эти установки можно внедрять непосредственно в свой схемный файл. Тогда MicroCap будет использовать установки, записанные в файле, а для остальных файлов будет использовать стандартные. Для этого в текстовую область схемы или прямо на схему надо добавить следующее определение (параметры от gyratorа):
.OPTIONS ACCT LIST OPTS ABSTOL=11uA CHGTOL=11nC DEFL=100u DEFW=100u DIGDRVF=2
+ DIGDRVZ=20K DIGERRDEFAULT=20 DIGERRLIMIT=0 DIGFREQ=10GHz DIGINITSTATE=0
+ DIGIOLVL=2 DIGMNTYMX=2 DIGMNTYSCALE=0.4 DIGOVRDRV=3 DIGTYMXSCALE=1.6 GMIN=1n
+ ITL1=2000 ITL2=500 ITL4=1000 PIVREL=1m PIVTOL=.1p RELTOL=10m SD=2.58 SEED=0
+ TEMP=27 TNOM=27 TRTOL=7 VNTOL=1m WIDTH=80 PRIVATEANALOG PERFORM_M=2 RMIN=1u
+ R_NODE_GND=1e6 LTHRESH=1.5 LONE=3.5 LZERO=.3 METHOD=GEAR
Его можно просто скопировать отсюда и вставить в схему.

Во-вторых, часто бывает нужно посмотреть процессы в ключевых элементах в установившемся режиме. Это делается в два этапа – сначала проводится расчет выхода на режим, в ходе которого происходит установление медленных переходных процессов в схеме, обусловленных реактивностями фильтров и работой обратной связи. А когда эти процессы завершатся (выходное напряжение перестанет меняться во времени) можно будет изменить масштаб расчета и вывести на графики 1-2 такта работы ключевых компонентов или же подробно посмотреть процессы переключения (фронты). Во всех расчетах нужно отключать расчет рабочей точки по постоянному току (Operating Point)

Реализовать изменения масштаба можно двумя способами.
Первый – поставить в установках параметров расчета переходных процессов State Variables режим Leave (а не Zero). При этом каждый последующий запуск анализа будет использовать в качестве начальных условий то, на чем завершился предыдущий. Т.е. если предыдущий анализ ( с большим временем расчета) вывел преобразователь в стационарный режим, то можно поставить время расчета, равное 1-2 периодам коммутации, еще раз запустить расчет и подробно рассмотреть процессы. Кроме того, при таком подробном рассмотрении целесообразно уменьшить максимальный шаг расчетов (задается в установках анализа) для повышения точности отображения процессов.
Режим Leave можно также использовать и для вывода преобразователя на установившейся режим, последовательно несколько раз запуская расчет, пока процессы не установятся.
Обращаю внимание, что предыдущие начальные условия сохраняются только если не закрывать окно анализа. Если закрыть окно анализа (например, для внесения изменений в схему), следующий расчет все равно начнется с нулевых начальных условий и расчет выхода на режим придется повторить. MC9 позволяет корректировать схему без закрытия окна анализа переходных процессов, а MC8 – нет.

Второй способ – сохранить переменные состояния установившегося режима в специальном файле. При последующем расчете эти данные будут использоваться в качестве начальных условий (кроме магнитного состояния сердечника). Этот способ удобен тем, что к анализу установившегося режима можно вернуться в любой момент, закрыв не только окно анализа, но и сам файл.
Для сохранения переменных состояния надо выполнить команду State Variables Editors (или F12), а затем Write… В окне задания параметров анализа в графе State Variables надо поставить Read.
Сохраненные начальные условия можно использовать только при отсутствии изменений в конфигурации схемы (добавления /убирания компонентов). Сами же параметры компонентов менять можно. Поэтому если есть желание посмотреть, что будет в схеме со снабером и без него, удалять снаббер нельзя, но можно поставить значение емкости равным нулю, а сопротивление – очень большим. В результате никакого влияния на работу схемы он не окажет, а сохраненные начальные условия использовать можно.