Ćwiczenie M1. Model behawioralny układu scalonego

Pomiary i modelowanie w elektronice mocy
Ćwiczenie M1. Model behawioralny układu scalonego
opracowanie: Łukasz Starzak
Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2013
Zadania do wykonania
1. Utworzyć nowy projekt.
■ Uruchomić OrCAD Capture.
■ Utworzyć nowy projekt typu Analog or Mixed A/D tworząc dla niego nowy folder. W oknie
Create PSpice Project wybrać empty.opj, dzięki czemu do projektu automatycznie dodane
zostaną podstawowe biblioteki elementów.
■ Z okna projektu otworzyć Design Resources ‣ nazwa projektu ‣ SCHEMATIC1 ‣ PAGE1.
2. Opracować model behawioralny sterownika bramki tranzystora mocy dolnego lub górnego IR2117
opierając się na jego danych katalogowych (Data Sheet No. PD60146, Rev. O). Po dodaniu każdej
kolejnej funkcjonalności model należy przetestować.
a) Zamodelować wyjście układu.
■ Zgodnie z zasadą modelowania behawioralnego nie należy koniecznie odwzorowywać
struktury układu. Niemniej w przypadku samego wyjścia jest to konieczne – nie ma innej
możliwości uzyskania takiego samego działania.
■ Zamiast tranzystorów wykorzystać łączniki abstrakcyjne sterowane napięciem S (biblioteka
Analog).
■ Parę łączników należy zasilić ze źródła napięcia stałego VDC (biblioteka Source) i przyłączyć
do masy (osobna funkcja Place Ground, element 0 z biblioteki Capsym).
■ Dla łatwiejszej edycji i bieżącej kontroli nad projektem, parametry elementów można
wyświetlić na schemacie – w oknie Property Editor zaznaczyć żądane pola, kliknąć Display i
wybrać Name and Value.
■ Napięcie wejściowe pełnego załączenia (VON) może być dowolne. Aby uzyskać przeciwne
przełączanie łączników, najprościej dla jednego z nich zamienić wartości VON i VOFF.
■ Rezystancje w stanie załączenia dobrać doświadczalnie tak, by uzyskać nominalne czasy
narastania i opadania w nominalnym układzie eksperymentu (napięcie zasilania, obciążenie).
■ Rezystancje w stanie wyłączenia wyliczyć tak, by uzyskać katalogowy typowy prąd upływu
zasilania VBS dla nominalnego napięcia zasilania.
■ W całym ćwiczeniu pominąć wszelkie zależności parametrów od temperatury oraz od
napięcia zasilania.
■ Należy używać wartości katalogowych typowych, chyba że nie są podane – wówczas
najgorszych.
■ Model należy testować w układzie eksperymentu zgodnym z kartą katalogową (schemat do
wyznaczania czasów przełączania); za obciążenie powinien więc posłużyć kondensator o
odpowiedniej pojemności CL. Na wejście podać przebieg impulsowy ze źródła VPULSE, o
amplitudzie odpowiadającej napięciom VON i VOFF łączników.
■ Na tym etapie układ może odwracać sygnał – zostaną jeszcze dodane kolejne bloki o
charakterze odwracającym.
■ W celu przeprowadzenia symulacji należy najpierw utworzyć nowy profil (New Simulation
Profile) i skonfigurować go odpowiednio dla analizy czasowej (Time Domain).
b) Zamodelować wejście układu.
■ Progi detekcji muszą być inne dla stanu niskiego i dla stanu wysokiego, o wartościach
PMEM lato 2012/13
30
zgodnych z rzeczywistymi.
■ Działanie takie można zamodelować poprzez 2 przeciwsobne łączniki (ściągający i
podciągający), z których każdy jest sterowany sygnałem z osobnego komparatora.
■ Komparatory można prosto zamodelować źródłami napięcia sterowanymi napięciem (E). Ich
wzmocnienie (Gain) nie powinno być zbyt duże, aby nie stwarzać problemów ze zbieżnością.
■ W razie problemów z symulacją zadbać o uziemienie końcówek „−” wprowadzonych
elementów E i S oraz o obciążenie wyjść tych elementów opornikiem lub niewielkim
kondensatorem; korzystne może być także wprowadzenie szeregowej rezystancji między
elementami E i S.
c) Uwzględnić opóźnienie między wejściem a wyjściem.
■ Dla uproszczenia przyjąć, że opóźnienie jest jednakowe dla przejścia L→H i H→L –
wyliczyć wartość średnią parametrów katalogowych.
■ Opóźnienie najprościej wprowadzić za pomocą dwójnika RC połączonego z komparatorem.
Jego zadaniem będzie wygenerowanie zmiany sygnału sterującego parą wyjściową po czasie,
po którym napięcie na wyjściu dwójnika narośnie do odpowiedniego progu lub opadnie
poniżej niego.
d) Zapewnić, aby układ nie odwracał sygnału.
■ Jeżeli odwraca – najprościej zamienić progi przełączania w łącznikach wyjściowych.
e) Przetestować działanie układu z tranzystorem dolnym.
■ Wykorzystać dowolny tranzystor mocy, np. IRF540.
■ Aby stwierdzić, czy i w której bibliotece znajduje się model danego tranzystora, należy
skorzystać z opcji Search for Part w oknie Place Part. Następnie należy zaznaczyć modelł na
liście i kliknąć Add, aby dodać bibliotekę do listy projektu.
■ Obwód mocy tranzystora należy zasilić z osobnego źródła
f) Przetestować działanie układu z tranzystorem górnym i samoładującym się zasilaniem bramki
(bootstrap).
■ W tym celu należy przerwać ewentualne połączenie mas (końcówek „−”) strony wejściowej i
strony wyjściowej pary łączników wyjściowych.
3. Przekształcić schemat do formalnego modelu i skojarzonego z nim symbolu graficznego.
a) Upewnić się, że bieżący schemat został zapisany.
b) Do projektu dodać nowy schemat (prawy klawisz myszy na nazwie projektu *.dsn, New
Schematic).
c) Skopiować (prawy klawisz myszy, Copy, Paste) stronę schematu (domyślnie Page1) ze starego
do nowego schematu. Dla uniknięcia pomyłek zamknąć stronę ze starego schematu.
d) W nowym schemacie usunąć wszelkie elementy nie wchodzące w skład sterownika (źródła,
uziemienie, obciążenie itd.)
e) Wstawić porty w miejscach wyprowadzeń modelowanego układu scalonego (funkcja Place Port,
forma graficzna nie ma znaczenia formalnego). Nadać im odpowiednie nazwy.
f) Zaznaczyć nazwę nowego schematu na liście w oknie projektu. Zmienić jego nazwę (prawy
przycisk myszy ‣ Rename) na oznaczenie modelowanego elementu.
g) Z menu Tools wybrać Generate Part.
■ Z listy Netlist/source file type wybrać Capture Schematic/Design.
■ Wybrać Primitive: No.
■ Wybrać Create new part, Copy schematic to library, Retain alpha-numeric pin-numbers.
■ Upewnić się, że na liście Source Schematic name wybrany jest nowy schemat.
■ Kliknąć OK.
h) W oknie Split Part Section Input Spreadsheet:
PMEM lato 2012/13
31
wybrać Part Numbering: Numeric;
■ w kolumnie Number nadać końcówkom numery zgodnie z układem wyprowadzeń na
obudowie modelowanego układu;
■ w kolumnie Position można wybrać położenie poszczególnych wyprowadzeń w ramach
symbolu (powinno ono ułatwiać łączenie elementu umieszczonego na schemacie, nie musi
natomiast odzwierciedlać rzeczywistej obudowy);
■ kliknąć Save.
4. Przetestować utworzony symbol.
a) Dodać nowy schemat do projektu oraz nową stronę.
b) Z utworzonej biblioteki wstawić symbol modelowanego układu.
c) Obudować układ elementami zewnętrznymi jak na starym schemacie (można je skopiować), dla
konfiguracji tranzystora górnego.
d) Przeprowadzić symulację.
e) Zarejestrować przebiegi dowodzące poprawności działania układu w każdym z modelowanych
aspektów.
■
PMEM lato 2012/13
32