Power Electronics

Сегодня появилось немного свободного времени, решил сделать подход к осциллятору ШИМ контроллера L7986TA. То что получилось, изображено на рисунке ниже.

Выглядит сложновато, а возможно наоборот. Но, по крайней мере, поведение полностью соответствует описанию.
Показаны сигнал внутренней пилы VS, а также сигнал на ножке SYNCH. Синхронизация подается с задержкой 0.1 мс. До этого момента на ножке SYNCH присутствуют только "свои" импульсы синхронизации. Видно, что пила VS сдвинута относительно этих импульсов на 180 гр. Далее к "своим" импульсам добавляются импульсы внешней синхронизации, имеющие более высокую частоту и поступающие с имитатора на V2. И внутренняя пила VS практически сразу перестраивается на внешнюю синхронизацию. Так как частота внешней синхронизации выше, амплитуда пилы VS уменьшается. Осциллятор безошибочно отделяет сигналы внешней синхронизации от "своих". Однако тут кое-что не ясно. Например, должен ли ведомый осциллятор продолжать формировать "свои" импульсы на ножке SYNCH или их следует подавлять?
Это вариант модели осциллятора с подавление внутренней синхронизации при наличие внешней. Здесь показан процесс входа и выхода осциллятора из режима внешней синхронизации.

Если появится тот, кто располагает микросхемой L7986TA, имеет желание сравнить её поведение с модельным и готов поделиться своими наблюдениями, то я продолжу работу над моделью до её окончательного завершения.

_________________
"Древние украли все наши лучшие идеи!"
- Марк Твен.

С осциллятором с самого начала проблем не было, однако попытка сделать синхронизацию модели завела в тупик. Приходится использовать сверхбыстродействующие компараторы и операционные усилители, но я сомневаюсь, что в микросхеме с ценой менее одного доллара применяется столь дорогостоящая структура.
К тому же быстродействующие микросхемы не работают в режиме микротоков, и входные токи операционных усилителей и компараторов вносят огромные погрешности. Модель запустить так и не удалось.
Модель

Попробовал сделать схему детектора синхроимпульсов с их непрерывным распознаванием, чтобы пропуск синхроимпульса не оказывал влияния. Это работает надёжно, но с генератором, управляемым напряжением уже проблема, обычный ПИ-регулятор не даёт идеальную кривую тока без скачков.

Модель детектора синхроимпульса на полевых транзисторах получается слишком медленной, так как сопротивления порядка килоомов не дают переключить затвор на частотах выше мегагерца для импульса шириной менее 150 наносекунд. Достаточно поймать фронт импульса SYNC, чтобы была возможность сравнить с началом внутренней пилы микросхемы и при необходимости подкорректировать.

Применение СВЧ транзисторов уменшают импедансы, и потому резистор 1 кОм между двумя микросхемами будет мешать норамальной работе.

Эти варианты я даже на предлагаю.

Много интереснее модель детектора синхроимпульса на обычных биполярных транзисторах. Запазывание при распознавании сигнала ещё можно скомпенсировать, но значительный джиттер осложняет ситуацию.

Модель детектора синхроимпульса на быстродействующих компараторах

P.S. Приношу извинения за испорченную тему, поторопился и "добавил" в семейство ПИ-спайсовых ещё и LTdpice

Но моя версия поведенческой модели осциллятора синхронизируется без проблем и, в общем-то, соответствует справочным данным. Надо лишь немного практической информации, ликвидирующей белые пятна в даташите, и модель контроллера будет готова.
Модель осциллятора

_________________
"Древние украли все наши лучшие идеи!"
- Марк Твен.

Спасибо за проделанную работу!
Это пример успешной работы, которую можно использовать в качестве учебного пособия по разбору процесса составления модели микросхемы. Модель способствует пониманию даташит на микросхему DC/DC преобразователя, а также её можно успешно применить в реальных мощных источниках питания, собираемых на дискретных элементах.

Синхронизируется мгновенно, но что у меня вызывает сомнения, так это поведение размаха пилы на Vs.
Как я понял, она в дальнейшем используется для работы схемы стабилизации напряжения силовой цепи и, согласно даташит, должна иметь на пике размах 3 вольта (не обязательно, можно масшатбировать опорное 0.6 вольт и под другое значение, что и сделал, чтобы избежать необходимости rail-to-rail). ΙΜΗΟ, изменяющийся размах пилы нарушет линейность регулирования ШИМ, что возмножно создаст проблемы с остальной частью модели.
К тому же это происходит скачкообразно. Верю, что Вы что-то придумаете и по этому поводу, перемножая формирующий пилу ток на значение, задающее частоту генератора удвоенной частоты.

У меня размах пилы выбран 1.254V от внутреннего опорного источника, на самом деле есть "хвосты" из-за фиксированной задержки срабатывания NE555 (возможно, её модель стоит заменить дискретными элементами), и они имеют разное максимальное значение в зависимости от частоты.
Это не мешает работе, так как пилу умножаем на коэффициент K=3.000/1.254 и заставляем компаратор работать в диапазоне пилы от 0 до 3 вольт.


Хотелось бы подробнее узнать об этих "белых пятнах".
Похоже, что придётся сделать маломощный источник со связкой из этих двух микросхем, и потом посмотрю особенности их работы.
Пока вижу необходимость учесть реальную полярность испульсов SYNC, обычно в целях помехоустойчивости выбирают отрицательную (особенно учитывая возможность различного внутреннего питания 3,3V), но в модели поменять на положительную не проблема. К тому же упомянута возможность работы с внешней частотой, источник которой может быть с TTL-уровнями.
По остальному пока удовлетворён информацией из даташит.


Данную модель заменяю указанной ниже, она была заброшена совершенно неработоспособной после некоторых экспериментов с ней.

Модель подправил, но есть проблемы, касающиеся во-первых, работы микросхемы AD8041 из-за характеристик этого ОУ, для чего заменил его усилителем на E5.

Во-вторых, непонятные пока всплески управляющего тока через R32 или R82, с помощью которых увеличивается частота ШИМ микросхемы. Виноват в этом узел на DA5, C13, C14 и, возможно, какая-то ассиметрия временных параметров, приводящая к нелинейной характеристике регулирования.
Преобразователь напряжения в управляющий ток на DA6 не столь оказывает влияние, к тому же компенсировал недостатки AD8041 смещением по току на VT11, VT12 и VT15.
Хотя синхронизация не нарушается, но не хотелось бы джиттера противофазной работы двух источников питания на одну нагрузку. Если бы удалось, поймав синхронизацию, удерживать работу микросхем без этих "вспышек", приводящих к отклонению фазы от 180°, то можно не беспокоиться за линейное регулирование напряжения микросхемами на их нагрузках.

В-третих, представленная реализация модели имеет сложные и дорогостоящие дискретные элементы, которые вряд ли могут быть реализованы в микросхеме стоимостью менее доллара. Наверное, всё же возможно "собрать" их структуру на транзисторах, обеспечивая компараторы и операционные усилители меньшей точности, но с высоким быстродействием и малым током потребления.

Хотелось бы оба варианта опробовать.
Мой вариант в течение миллисекунды прекрасно синхронизирует до частоты ШИМ 1 МГц канал с изначальной частотой 250 кГц. Небольшие вспышки управляющего тока пока мне непонятны, в реальной микросхеме наверняка это устранено, но такой дефект лучше позволит проверить устойчивую работу применяемой микросхемы в разработке.
Позже попробую сделать сухую структурную модель без дискретных полупроводников. Но уже сейчас могу начать делать макет.

На что стоит обратить внимание, какие сигналы посмотреть осциллографом?

Загружу модель ещё раз, чтобы уточнить вопрос.
Нужна литература по настройкам ПИ и ПИ2 регуляторов, основные принципы при работе с нелинейностями, хотя бы просто в виде задержки на частоту квантования ШИМ.

В данной модели настройки, позволяющие запустить её сразу и увидеть странное поведение сигнала X2.
Убедился, что операционный усилитель AD8041 не является причиной этого.
Если же всё линейно регулируется, то откуда такой большой диапазон отклонения напряжения на V(x1), вызывающий соответствующую реакцию тока управления I(R32)?
Временами начинает разгоняться частота на второй микросхеме в виде увеличения напряжения V(x2), хотя ток через R82 остаётся практически нулевым (отрицательный, это ток утечки через диод VD58).
В идеале должны просто чередоваться импульсы в цепях _+Δf1 и -Δf1, вызывая незаметные микроколебания тока управления, а в модели они группируются в серии, на которые ток реагирует как-то нелинейно.
Может быть стоит посмотреть спектр шумов, но даже если это стечение разных факторов, всё равно реакция то чрезмерная, то практически незначительная, и непонятно, от чего это зависит.

В чём может быть дело?

В этой кодировке LTspice вообще не хочет загружать модель
Новые версии LTspice позволяют использовать кириллицу. Однако лучше её не использовать. Пишите русские слова транслитом, либо на английском. Это исключит проблемы с кодировкой.
И не стоит вставлять исходный текст модели в сообщения. В данном случае этот текст просто огромен и делает практически невозможным чтение форума. Присылайте модель мне на почту (указана в верхнем левом углу данной страницы). Я потом размещу соответствующую ссылку на форуме. Либо размещайте модель на каком-то файлообменнике или на виртуальном диске (владельцы многих почтовых сервисов, таких как google.com, mail.ru, yandex.ru и т.п. имеют такую возможность), а на форуме указывайте ссылку на них.

_________________
"Древние украли все наши лучшие идеи!"
- Марк Твен.

За замечание спасибо, но так и должно быть. Производитель прямо указывает на это в даташите.

Синхронизация изменяет амплитуду пилообразного сигнала, изменяя коэффициент передачи ШИМ (рис. 4.c).

_________________
"Древние украли все наши лучшие идеи!"
- Марк Твен.

Да, оказалось, что сохранение крутизны пилы α как раз позволяет линеаризировать управление, а частота ШИМ не так важна, особенно в сторону увеличения и не столь много, но важно, что этот процесс протекает плавно, без скачков.

Однако, я столкнулся с проблемой, которую никак не могу решить.
Закончив свой вариант модели, бьюсь с одним моментом, для понимания которого недостаточно информации в даташит.
На рисунке 9 представлена готовая схема преобразователя с 24V в 3,3V.
Подробно приведён и перечень элементов, данные которого моделирую.
Также представлены осциллограммы, но меня они интересуют на рисунках 31 и 32.
Там набрасывается нагрузка в пять ампер для проверки работы токограничения.
Я схалтурил, и как и для SoftStart не стал громоздить сложную цифровую схему, а просто сделал аналоговое решение, которое к тому же легче моделировать в LTspice, и это работающие решения, не требующие абсолютной точности.
После снятия нагрузки с 5 ампер до 0,4 ампер, напряжение начинает слишком быстро расти, я не стал реализовывать режим SoftStart для такого случая, потому как тут принципиально иное решение, без остановки работы преобразователя, и по идее, напряжение должно начать расти сразу, что и происходит.

Однако, на осциллограммах не показано, как это происходит.
У меня напряжение продолжает линейно расти с огромной скоростью и выходное напряжение проскакивает значение 3,3V, продолжая расти более 6 вольт. Параметрически данные немного другие на поле рисунка осциллограммы, но эффект сохраняется и при исходных данных из перечня элементов.
Если бы в даташит была упомянута схема защиты от перенапряжения, ограничивающая рост не более 5%…10%, я бы понял и сделал её. Можно предположить, что проблема в нарушении линейности регулирования напряжения из-за вносимой схемой токоограничения нелинейности в регулирование ШИМ, и что всё тут правильно, так и должно быть. Однако, тогда такая схема практически неприменима без дополнительной схемы защиты, поглощающей избыточную энергию дросселя. Иначе большинство применений приведёт к повреждению схем нагрузки преобразователя. К тому же выбросы отмечаются и при отсутствии токоограничения на других осциллограммах даташит, но они более приемлемы.

Пытался поставить выход дополнительного единичного операционного усилителя на вывод COMP с классической схемой защиты от ёмкостной нагрузки, но такое искусственное ограничение тока привело лишь к тому, что процесс затянулся и напряжение на выходе успевало подрасти до 18 вольт, а подобное и ожидалось (но хочется верить в чудо). Любое иное вмешательство противоречит описанному в даташит принципу регулирования и влияет на выбор обвязки микросхемы. Диоды между входами операционного усилителя и так имеются в подробной модели, но я заменил упрощённой математической моделью и опробовал данные диоды. Ситуация улучшилась незначительно. Проблема в том, что между выводами FB и COMP включена внешняя цепочка из последовательного резистора и конденсатора большой ёмкости, и всё то время, что растёт напряжение, операционный усилитель перезаряжает конденсатор фиксированным током.
То есть проблема не в запасённой дросселем энергии, а в том, что микросхема продолжает закачивать в него ток на уровне токоограничения, просто увеличивая выходное напряжение по собственному закону регулирования. Я не могу даже ограничить напряжение между COMP и FB, ибо это будет издевательством над здравым смыслом. И тем более не могу добавлять что-то защитное, что не никак не документировано.

Как быть в этой ситуации?

Или приведённый частный пример ошибочен, и с такими параметрами так будет вести себя любой преобразователь?

P.S. Бьюсь как рыба об лёд, и не могу придумать ничего такого, что естественным образом входило бы в узел на рисунке 9. Просто увеличением ёмкости конденсатора C3 можно добиться уменьшения роста напряжения после снятия нагрузки, однако тогда ухудшается закон регулирования, выражаемый в появлении аппериодических колебаний в наблюдаемых токах/напряжениях. Просто "работает, не трожь" в такой ситуации не устраивает, надо понять логику процесса, но без дополнительной схемы превентивного ограничения скорости роста выходного напряжения ничего сделать не получится, к тому же эта схема должна предсказывать перерегулирование и начинать ограничивать скорость нарастания (полосу пропускания ОУ) только при возникновения в этой общем-то аварийной ситуации.

P,S. Как с этим борются в схемах на других микросхемах (тоже без защиты overvoltage protection)?

Обвеска модели соответствует рис. 17 и табл.9 ?

Надо смотреть на реальном контроллере!

_________________
"Древние украли все наши лучшие идеи!"
- Марк Твен.

Да, соответствует, ниже модель "L7986TA_test.asc" в UTF-16 для новой версии LTspice.

Небольшие пояснения.
1. Схема после снятия нагрузки 5A даёт бросок напряжения почти до 9V при номинальном выходном 3,3V.
Такая схема непрактична и очень опасна. Интересно будет посмотреть это на макете, но нужно сперва предусмотреть защитную схему, что я пытался сделать на уровне модели микросхемы. Для этого надо соединить вход DD35 с выходом DD34, дорисовав цепь. Тогда появляется другая проблема — напряжение растёт до 3,3V, но затем проваливается и снова восстанавливается уже под незначительной нагрузкой без последующих провалов. Однако этот эффект провала в комбинации с токоограничением приводит к бесконечной генерации при определённых сочетаниях L101 и C102 (соответствуют L1 и C2 в даташит), хотя и удаётся убрать его подбором L101.
2. При импульсах на OUT с длительностью менее "masktime" происходит неконтролируемый рост тока, так как схема токоограничения во избежание ложных срабатываний начинает измерять ток только после окончания периода "masktime". Это легко корректируется восстановлением соединения между DD28 и DD29, но тогда осциллограмма становится более зашумлённой, чем в даташит. Причина в прерывистых токах из-за периодического отключения импульсов OUT по алгоритму как при ограничении тока.

Пока ничего лучше не придумал, не создавая специальную схему OVP, на которую нет даже намёка с даташит (в отличие от м/с L5988D).

Модель L7986TA_test.asc

P.S. Для публикации модели был бы удобен спойлер, чтобы свернуть загоромождающий текст, но тут он не предусмотрен.

Пока непонятен процесс, пытался разобраться на уровне цифрового моделирования.
На реальном контроллере можно подтвердить идеи или опровергнуть их, измерять сложнее.

Вот такую генерацию импульсов выходного напряжения я имел ввиду:
не отображается почему-то...
https://ibb.co/tMRLqRTc

Модель микросхемы содержит лишь соединение DD34 и DD35, как описывал ранее.
На её основе также подключал две микросхемы, которые идеально работают на совместную нагрузку.
Проблема только в неадекватной реакции на воздействия перегрузки и изменения нагрузки, а без соединения DD28 и DD29 проблемы с перенапряжением на холостом ходу.

Модель

Случай для двух синхронизированных микросхем.

Совместный эффект даёт всплеск напряжения до 25,5% на нагрузке 3,5A после КЗ с током 10Α.
Без схемы разряда конденсатора C4 в каждом из каналов совместное напряжение подскакивает до 67%.

Как можно улучшить схему защиты от перенапряжений, и сделать её на внешних элементах, чтобы подстраховаться на случай, когда микросхема действительно будет себя так вести?

Да, выглядит ужасно. И, судя по всему, с реальными контроллерами?
Не плохо было бы всё это повторить в симуляторе. Но, для этого надо иметь адекватную модель.
Сейчас у меня завал по работе. По возможности, постараюсь довести до рабочего состояния свою модель контроллера.


Для публикации модели используйте файлообменник.

_________________
"Древние украли все наши лучшие идеи!"
- Марк Твен.