Компьютерное проектирование DC/DC-преобразователей на элементной базе компании Maxim

Назначение DC/DC-преобразовате-лей — это организация шин питания индустриальных компьютеров (примеры таких решений для ITX приведены в публикации [1]), а также локального питания типа PoL (англ. PoL — Point-of-Load), когда источник питания расположен непосредственно возле нагрузки, что упрощает раздачу питающих напряжений и решает вопросы электромагнитной совместимости. Это возможно благодаря тому, что диапазон входных напряжений DC/DC-преобразователей, в отличие от других типов стабилизаторов напряжения, может быть весьма широк, а его конкретное значение уже не является столь критичным. Все это становится еще более востребованным в эпоху развития «Интернета вещей», удаленных сенсоров беспроводных ячеистых сетей, то есть всего того, что мы видим в рамках индустриальной революции — Индустрии 4.0.

Однако, как гласит известная французская пословица, «за каждое удовольствие нужно платить». Поэтому, чтобы заплатить ровно столько, сколько это удовольствие стоит, необходимо не только правильно сформулировать требования и поставить задачу, надо хорошо ориентироваться на рынке предлагаемых микросхем преобразователей. А этот рынок весьма не прост, и в дебрях тысяч открывающихся перед разработчиком предложений несложно и заблудиться. Облегчить задачу выбора подходящих микросхем контроллера для конкретного преобразователя и найти конечное оптимальное решение можно, используя несложный алгоритм, который подробно рассмотрен в публикации [2]:

1. Определить весь возможный диапазон входных напряжений.
2. Определить весь диапазон нагрузок по току.
3. Определить величину номинального выходного напряжения во всем диапазоне нагрузок и приемлемую точность его поддержания.
4. Определить допустимую площадь на печатной плате, занимаемую преобразователем, и допустимую высоту профиля, учитывая все необходимые для его конечной реализации элементы, то есть в виде уже законченного устройства.
5. Изучить критичность в части соблюдения требований по электромагнитной совместимости, выполнению требований по защите окружающей среды, энергосбережению и диапазону рабочих температур.
6. Определить граничную цену, доступность в приобретении с учетом требований по унификации.

Но есть еще одна, причем существенная, проблема. Когда выбор типа преобразователя сделан, на первый план выходит вопрос, как его использовать в реальном проекте. Наиболее частая ошибка — слепо довериться спецификации и использовать приведенный там пример типового применения. Я не говорю, что он обязательно плох или неверен. Но это всего лишь «пример». А ответственному разработчику нужен не «пример», а «решение», причем такое, в котором он может быть полностью уверен. Тут на первый план выступает проблема, о которой сказано выше, — как правильно рассчитать DC/DC-преобразователь, исходя из конкретных требований проекта. И не просто рассчитать, а сделать это быстро, точно и зачастую инвариантно.

Можно открыть инженерный справочник или использовать ту же спецификацию, в которой ответственный изготовитель приведет не только детальное описание контроллера, но и методику расчета конечного решения. А после изучения, вооружившись калькулятором, сделать десяток-другой вычислений и выбрать более подходящий вариант. Но это, извините, из той же оперы, что и известное: «Ну, понимаете, можно, конечно, и зайца научить курить, в принципе ничего нет невозможного» (из к/ф «Служебный роман»). Кроме того, здесь вы наглядно не увидите результатов моделирования (разве что используя Excel в качестве «припарки»), а это не просто насущная необходимость, это головная боль любого проектировщика таких устройств. Так что, скорее всего, вы не увидите графиков поведения преобразователя под разной нагрузкой, не говоря уже о реакции схемы на ее сброс/наброс. Можно сказать, такой способ — это даже не уровень конца прошлого века. Современный же подход предполагает использование специальных программных инструментов для компьютерного моделирования.

Имея многолетний опыт создания самых различных DC/DC-преобразователей, автор статьи пришел к выводу о том, что для разработки целесообразно применять именно те программные инструменты, которые известные компании-изготовители предоставляют для своих контроллеров. Основное преимущество таких инструментов — правильно разработанные модели компонентов, а особенно ШИМ-контроллеров, и, самое главное, они сверены с поведением таких контроллеров на практике, что, собственно, и устраняет главную проблему — точность в анализе поведения конечной схемы. Что касается моделей, здесь имеются в виду именно реалистические модели без значительных упрощений (при симулировании некие упрощения в любом случае неизбежны). Чтобы понять подоплеку этого вопроса, достаточно взглянуть на внутреннюю структуру современного синхронного мультирежимного контроллера, в частности, того, что будет использован в качестве примера, — MAX17504 [5] из семейства Himalaya. В специализированных программах важно и то, что они выдают значения номиналов элементов в цепях loop- и sloop-компенсации и так или иначе учитывают их в конечных результатах моделирования, формируя графики для оценки фазовой устойчивости и избавляя разработчика еще от одной проблемы.

К таким полезным с прикладной точки зрения инструментам можно отнести рассмотренный в публикации [3] инструмент для проектирования DC/DC-преобразователей из состава WEBENCH Design Center от Texas Instruments (в настоящее время он модифицирован и дополнен), рассчитанный на микросхемы компании TI и ее партнеров. Компания Maxim Integrated Products, Inc., как изготовитель, также заботящийся о своих клиентах, предоставляет подобный программный продукт в составе набора онлайн-инструментов для проектирования под общим названием EE-Sim Design Generation and Simulation Tool, но, естественно, предназначенный при использовании своих контроллеров. Полное описание данного продукта приведено в составе общего руководства по применению [4]. В составе этого комплекса, кроме расчетов шести различных типов преобразователей (секция DC/DC CONVERSION) и расчетов по организации системного питания (секция SYSTEM POWER), доступны расчеты фильтров (секция FILTERS), синтезаторов частоты и генераторов, управляемых напряжением (секция PLL/VOC), но их рассмотрение выходит за рамки настоящей статьи.

Для демонстрации возможностей симулятора по расчету DC/DC-преобразователей из состава EE-Sim Design Generation and Simulation Tool используем интегральную микросхему (ИМС) современного контроллера MAX17504 [5], о которой упоминалось выше. Чтобы понять, с чем мы будем иметь дело, кратко рассмотрим особенности данной ИМС. Она снабжена встроенным синхронным выпрямителем, что позволяет обходиться без диода для сброса энергии накопительного дросселя. Рабочий ток, который может обеспечить в нагрузке MAX17504, достигает 3,5 А (что немаловажно, во всем диапазоне рабочих температур), диапазон входных напряжений V_IN составляет 4,5–60 В, а допустимый диапазон выходного напряжения V_OUT — от 0,9 В до 90% от входного V_IN, КПД преобразователя MAX17504 превышает 90%, а его типовой потребляемый ток в режиме ожидания не превышает 2,8 мкА. Частота преобразования контроллера находится в диапазоне от 200 кГц до 2,2 МГц и задается внешним резистором, подключенным к выводу RT, генератор может быть синхронизирован внешним сигналом, поданным на вход SYNC, предусмотрено плавное включение с помощью конденсатора, установленного по выводу SS. Кроме этого, преобразователь имеет выход, позволяющий осуществить сброс внешних устройств (опция Power Good) при недопусимых отклонениях напряжения. В ИМС есть защита от перегрузки по току и от недопустимо пониженного напряжения (величина задается или по умолчанию, или внешним делителем по входу EN/UVLO) и, естественно, вход обратной связи (вывод FB) для задания  необходимого уровня выходного напряжения, то есть он не фиксированный, а устанавливается, как и обычно, внешним делителем. Кроме того, контроллер имеет внутреннюю компенсацию.

Одна из уникальных особенностей этого преобразователя компании Maxim — возможность выбора режимов для оптимизации его работы в очень широком диапазоне нагрузок: PWM (англ. PWM — pulse-width modulation, широтно-импульсная модуляция, ШИМ); PWM с переходом в PFM (англ. PFM — pulse-frequency modulation, частотно-импульсная модуляция, ЧИМ) и DCM (англ. DCM — discontinuous current mode, режим разрывных токов). Выбор режима осуществляется по входу MODE [5]. Как видно даже из такого краткого описания данной ИМС, для ее использования все должным образом учесть и рассчитывать вручную крайне сложно, а главное — зачем?

Для примера и помощи в освоении выбранной секции инструмента EE-Sim Design Generation and Simulation Tool выполним проектирование понижающего DC/DC-пре-образователя, типовая схема которого приведена на рис. 1 с параметрами некоего типового проекта, а именно: максимальное входное напряжение 60 В, номинальное выходное напряжение 5 В, номинальный диапазон токов нагрузки от 200 мА до 3,5 А. Если внимательно посмотреть на предлагаемую в спецификации типовую схему (рис. 1), то видно, что кроме общих моментов она не дает нам практически ничего. О чем, собственно, и говорилось в начале статьи. Так что, перефразируя известную латинскую пословицу “Aurum probatur igni et ingenium mathematicis” («Золото проверяется огнем, а проницательность разума — математическими дисциплинами»), можно сказать, что золото проверяется огнем, а схемы — математикой и моделированием.

Рис. 1. Типовая схема включения микросхем MAX17504 согласно [5]

Вход в описываемый программный инструмент можно выполнить через вкладку на домашней странице www.maximintegrated.com/en.html/ссылка утрачена/. Заметьте, что если вы хотите сделать вход через поисковик, то необходимо вводить полное название компании, иначе вы будете любоваться картинками из популярного мужского журнала MAXIM. Также открыть доступ можно непосредственно со страницы с результатами поиска информации по интересующей вас микросхеме, в рассматриваемом случае — контроллера MAX17504. С домашней страницы вход сложнее, но он оправдан в том случае, если тип контроллера не известен и нужно его уточнить по некоторым определяющим базовым критериям для конечного преобразователя. Поскольку вход в инструмент не совсем очевиден, то рассмотрим оба варианта.

На домашней странице находим EE-Sim Design Generation and Simulation Tool и активируем Start Design («Начать проектирование»). Открывается окно доступа к инструменту (рис. 2).

Рис. 2. Окно доступа в симулятор EE-Sim Design Generation and Simulation Tool

Здесь вы видите алгоритм проектирования, принятый в рассматриваемом инструменте. Но для дальнейшей работы необходимо, как говорят сейчас, «залогиниться», или выполнить неизбежную и обычную в таких случаях регистрацию. Вход в нее вы найдете внизу окна. Для регистрации активируйте приглашение Register if you are a new user («Зарегистрируйтесь, если вы новый пользователь»). При первой регистрации на указанный вами в анкете адрес электронной почты придет запрос на ее подтверждение, после чего процесс регистрации будет завершен. После введения логина и пароля активируйте Start the EE-Sim tool. В открытой вкладке EE-Sim Tools выбираем нужный для нас инструмент (он слева) DC/DC Conversion («DC/DC-преобразование»). Открывается вкладка выбора базовых параметров для проектирования, часть ее показана на рис. 3.

Рис. 3. Вкладка выбора параметров для проектирования

Здесь мы можем воспользоваться фильтрами, задать исходные параметры для проектирования и выбрать подходящую ИМС из предлагаемого списка. Активировав нужную ИМС, вы попадете в среду проектирования. Там же можно открыть и ее спецификацию. Контроллер можно выбрать и непосредственно. Для этого в открывшейся вкладке (рис. 3) раскрываем для нашего случая Step-Down Switching Regulators и находим нужный контроллер, например тот же MAX17504.

Если контроллер нам известен, то вводим в поисковике MAX17504, выбираем MAX17504 4.5V-60V, 3.5A, High-Efficiency, Synchronous… и тогда на сайте www.maximintegrated.com /ссылка утрачена/ откроется вкладка, показанная на рис. 4.

Рис. 4. Вкладка с описанием ИМС MAX17504

Если по какой-то причине эта микросхема нас не устроила, то можно вернуться к поиску и выбрать другой вариант. Для этого достаточно просто активировать расположенный справа пункт меню Tools & Models («Инструменты и модели»), который направит вас на путь, описанный выше. Если ваше решение не изменилось, то необходимо активировать DESIGN RESOURSES («Ресурсы для проектирования») и в следующей вкладке в меню Tools & Models выбрать Design & Simulate MAX17504 («Разработка и моделирование для MAX17504»). Активировав вкладку, вы автоматически переходите на страницу EE-Sim DC-DC (рис. 5). Здесь весьма удобно то, что по умолчанию все уже адаптировано под выбранную вами микросхему MAX17504. Повторю: если у вас уже есть регистрация на сайте в системе MyMaxim, ее нужно будет активировать, если нет — то необходимо ее пройти. Процедура описана выше.

Рис. 5. Окно задания начальных условий и выбора параметров для проектирования в EE-Sim Design Generation and Simulation Tool

Процесс проектирования предельно прост и не занимает много времени. На открывшейся странице (рис. 5) вы можете в соответствии со своими требованиями откорректировать условия, предложенные по умолчанию (кстати, они предложены весьма корректно), введя необходимые параметры и режимы работы преобразователя Mode of Operation (не забываем, их три). Учитывая большой диапазон токов нагрузки, выбираем установленный по умолчанию режим — PFM (режим ШИМ с переходом в ЧИМ). В качестве привычных параметров — максимального и минимального входного напряжения (Maximum Input Voltage и Minimum Input Voltage), выходного напряжения (Output Voltage) и тока нагрузки (Load Current) — будет предложено установить ряд параметров. Это типовое входное напряжение (Typical Input Voltage), минимально допустимое входное напряжение (Input Undervoltage Lockout Level) для целей защиты, пульсация входного напряжения (Input Ripple Voltage), рабочая частота преобразователя (Switching Frequency) и время мягкого старта (Soft-start Time). Кроме того, для выходного напряжения задается допустимый уровень выброса при переходном процессе (Transient Ripple Voltage). Должен заметить, не все симуляторы предлагают столь широкий набор установок. Определившись с начальными условиями, нажимаете Create Design («Создать схему»). Если нужно вернуться к начальным установкам, заданным по умолчанию, активируйте Restore Default.

Через некоторое время (для всех операций этот инструмент показывает время ожидания Estimate Time, так что вы не станете пребывать в неведении о том, что происходит), обычно до 1 мин, будет предложена оптимальная для вашего варианта схема решения понижающего DC/DC-преобразователя. В нашем случае это схема, приведенная на рис. 6. Если вы дали имя своей разработке (выполняется по ссылке Not Saved), проект будет сохранен и впоследствии к нему можно вернуться, откорректировать и многократно использовать как базу для дальнейших проектов. Для его вызова нужно воспользоваться вкладкой My Design («Мой проект») и выбрать необходимый проект из ранее выполненных работ.

Рис. 6. Результат проектирования DC/DC-преобразователя на микросхеме MAX 17504 на основе заданных исходных параметров и условий

Как можно видеть, здесь имеются различия по отношению к типовой схеме, приведенной на рис. 1. Элементы R5 = 1 ГОм и C6 = 1 фФ условно используются для моделирования, что и указано в сноске под схемой. Кроме того, учитывается и сопротивление проводников, все «чистые» проводники представлены и моделируются как цепь, замкнутая резистором с сопротивлением 1 мОм. Из интересующего нас мы видим, что в схеме изменены номиналы резисторов R3, R4 (они выбраны в соответствии с выходным напряжением 5 В, в типовой схеме было 3,3 В) и добавлен резистор подтяжки на сигнальный выход. Но главное — появился еще один делитель напряжения по входу, задающему уровень срабатывания защиты по минимально допустимому входному напряжению. Почему? А потому что параметр Input Undervoltage Lockout Level был задан на уровне 6,5 В (рис. 5), хотя допустимый минимальный уровень входного напряжения в выбранном режиме для этой микросхемы равен по умолчанию 5,5 В, но ее рабочий уровень защиты был определен с запасом. Такой делитель понадобился с учетом того, что минимально допустимый уровень входного напряжения для проектируемого преобразователя составляет 7,5 В (см. Minimum Input Voltage).

Все элементы схемы и условия можно редактировать. К примеру, нам удобнее использовать номинал резистора R4, равный 21 кОм, вместо расчетного номиналом 20 кОм. Для этого достаточно навести курсор на соответствующий элемент (R4), он подсветится, и кликнуть левой кнопкой мыши. Откроется окно редактирования того элемента, чьи характеристики мы собираемся менять, — Edit R4: Resistor (рис. 7а). Для внесения изменения выбираем Use Custom Part («Выбрать элемент пользователя») и делаем корректировку. Результат показан на рис. 7б, нажимаем OK — корректировка готова и отображается на общей схеме. Если мы передумали — нажимаем Cancel («Отмена»).

Рис. 7. Пример внесения коррекции:
а) до внесения;
б) после внесения

Предлагаемый инструмент достаточно гибкий. Помимо редактирования, при необходимости, можно вернуться в самое начало и изменить любые условия. Возврат осуществляется через Design Requirements («Начальные условия для проектирования»).

Если схемотехническая часть проекта нас устраивает, можно переходить к ее анализу. Для этого активируем Analysis («Анализ»). Учтите, что анализ будет проведен только на заданном вами типовом входном напряжении, в нашем случае на 24 В. Для работы в Analysis Selection предлагается целый набор инструментов, который позволяет проанализировать фазовую устойчивость усилителя ошибки петли регулирования (попробуйте-ка посчитать это вручную), переходные процессы и отклики на сброс/наброс нагрузки и скачок напряжения, формы импульсных напряжений и токов, увидеть реакцию на включение. Все это скрывается под опциями: AC Analysis (задаются начальная и конечная частоты, результат — фазовая и частотная характеристика), Transient Analysis (анализ переходного процесса, задается длительность), Steady-State Analysis (анализ статического режима), Startup Analysis (анализ включения преобразователя, задается время окончания анализа). Заметьте, что в руководстве [4] ошибочно указано, что в режиме статического анализа необходимо задать время его окончания, на самом деле этого не требуется. Форму напряжения (View Waveform) можно проконтролировать как по входу (Input), так и по выходу (Output). Для этого нужно активировать соответствующие флажки. Окно для начальных установок анализа показано на рис. 8. Здесь же можно указать и соответствующую выбранному типу анализа конфигурацию для симуляции. Например, для Transient устанавливается конфигурация Configuration: Simulation Stop Time («Задается длительность импульса») (рис. 8).

Рис. 8. Окно выбора и задачи начальных условий для анализа проекта

После выбора характеристик для анализа активируем Run Analysis («Запустить анализ»). В качестве примера проведем анализ переходного процесса Transient, то есть реакции на сброс/наброс нагрузки. Результат показан на рис. 9.

Рис. 9. Результат анализа переходного процесса

Поскольку такое представление не является информативным, активируем Open in Waveform Viewer («Открыть в просмотрщике Waveform Viewer»). После того как развернута новая вкладка, выберем только интересующие нас временные диаграммы, а именно выходного напряжения V_OUT и тока I_OUT. При нажатой левой кнопке мыши выделим курсором и увеличим необходимую зону или воспользуемся инструментами, расположенными слева, — например, распечатаем график через опцию Print Waveform (самый верхний значок слева). Применим эту функцию и увеличим начальный участок реакции на выбранное воздействие. Конечный результат наших манипуляций приведен на рис. 10.

Рис. 10. Результат анализа переходного процесса с использованием Waveform Viewer

Как можно видеть переходные процессы при броске тока (то есть возникающие при набросе нагрузки), реакция в виде изменения выходного напряжения «спроектированного» нами преобразователя практически отсутствует, что говорит о правильном выборе элементов компенсации. Аналогично можно проанализировать и поведение схемы при сбросе нагрузки. В инструменте Waveform Viewer предусмотрена весьма полезная опция, позволяющая выполнить измерения в заданных точках. Для этого достаточно зацепить мышкой и потянуть в нужную область две направляющие, расположенные по краям графика, они обозначены черными треугольниками (сверху). Результаты вы увидите внизу в таблице. Для просмотра таблицы имеется прокрутка (справа) и возможность изменения условий вывода результатов. Кроме того, слева, помимо опции Print Waveform, доступны (сверху вниз): Reset Zoom («Снять масштабирование»), Go forward one zoom level («Перейти на один уровень увеличения вперед»), Go back one zoom level («Перейти на один уровень увеличения назад»), Marque Zoom («Маркировать и увеличить выделенную зону»), Zoom Out («Уменьшить»), Zoom In («Увеличить») и Drag («Ручное перетягивание мышкой нужной зоны графика»).

Объем данной статьи не позволяет полностью раскрыть руководство пользователя, предназначенное для данного инструмента и содержащее 44 страницы текста [4], поэтому ограничимся примерами, вполне достаточными для иллюстрации возможностей и самостоятельного освоения инструмента пользователем. Благодаря встроенному интуитивному интерфейсу это не должно вызвать трудностей.

Завершение работы над проектом можно выполнить, активировав Complete Your Design («Завершить проект»). Материалы проекта можно сохранить через Save в системе MyMaxim или отправить по почте Share коллеге (послать самому себе не получится). После завершения проекта в открывшемся окне вы увидите все результаты своей работы без купюр, то есть все графики будут полные, даже если вы отключали трассы или вообще их не использовали. Графики можно увеличить с помощью Waveform Viewer и еще раз рассмотреть. Вам будет предложен полный перечень элементов (BOM) с рекомендованными поставщиками, необходимыми гиперссылками и описаниями. Вы можете сразу заказать отладочный модуль (Evaluation Board), образцы (Order Samples) или приобрести микросхему MAX17504 (Buy MAX17504). К сожалению, у нас эти опции, как обычно, не работают, но у авторизованных дилеров компании Maxim можно приобрести все необходимое, включая отладочные модули. Окончательную точку ставит печать результатов Print Page или оформление их в виде pdf-файла через опцию Download PDF.

Если вы сохранили свой проект, а это настоятельно рекомендуется сделать, то при необходимости сможете вернуться к нему. Для этого предусмотрена одна хорошая опция. Если за прошедшее время в модель выбранного вами устройства или в сам инструмент были внесены изменения, то вам будет предложено на выбор или сделать перерасчет (нужно активировать Convert), или продолжить работу в рамках прежней модели и на прежних условиях моделирования (для этого активируйте Use old model). Обычно симуляторы даже высокого уровня такой полезной опции не имеют.

Как можно видеть из настоящей публикации, компания Maxim Integrated Products предлагает не только высококачественные продукты, позволяющие получить оптимальные решения, но и эффективные инструменты для их успешного применения.
В статье не ставилась задача сравнения инструментов проектирования. Поэтому отмечу только, что в целом инструмент проектирования DC/DC-преобразователей от компании Texas Instruments [3] превышает по возможностям рассмотренный выше симулятор от компании Maxim, например, он предлагает тепловое моделирование и более широкие возможности для анализа, но работает только со своей базой моделей.

В завершение, хотя автор статьи является сторонником компьютерного моделирования и использует его в той или иной форме еще с конца 70‑х годов, хочу напомнить, что только практика может быть критерием истины. Это касается и проектирования с использованием симуляторов таких сложных устройств, как DC/DC-преобразователи. Причина кроется в том, что в большинстве специализированных симуляторов вы не сможете смоделировать поведение преобразователя в полном объеме. Так, в рассматриваемом симуляторе вы не сможете проанализировать переходные процессы, происходящие при скачкообразном изменении входного напряжения. Кроме того, нельзя моделировать поведение преобразователя с учетом всех технологических разбросов как самого контроллера, так и элементов схемы, а также и с учетом поведения схемы, разведенной уже на реальной печатной плате. То есть с учетом особенностей ее разводки и влияния окружения. Правда, в рассматриваемом симуляторе сопротивление всех короткозамкнутых проводников платы, как уже было сказано, определено как равное 1 мОм. В свете сказанного, пример из жизни — у автора статьи был случай, когда всего лишь один неверно проведенный проводник длиной менее 2 см привел к уровню пульсаций выходного напряжения прецизионного стабилизатора до 10 мВ (после исправления разводки он составил менее 150 мкВ, причем в двойном размахе амплитуды). Но в целом описанный в статье инструмент является достаточно простым, удобным и, главное, эффективным решением, адаптированным под продукты компании Maxim Integrated Products. Он позволяет избежать трудоемких итерационных и инвариантных расчетов, тем самым сокращая сроки разработки не только самих DC/DC-преобразователей на базе контроллеров компании Maxim, но и непосредственно вашего конечного продукта.