Моделирование передачи питания с помощью симулятора LTspice. Часть 1

Оптимизация трудозатрат при разработке

Существует несколько стандартов для передачи данных и питания по одним и тем же проводам. Так, IEEE802.3bu [1] регламентирует передачу питания по линиям данных (Power over data lines, PoDL [2]), а IEEE 802.3afопределяет передачу питания по сети Ethernet (Power over Ethernet, PoE) с помощью специальных интерфейсных контроллеров. Эти стандарты обеспечивают контролируемое и безопасное подключение питания с обнаружением, проверкой подключения, классификацией и контролем неисправностей включения/выключения. Уровни мощности варьируются от нескольких до десятков ватт при безопасной подаче энергии. В отличие от стандартизированных спецификаций PoE/PoDL, применимых для широкого спектра приборов, термин «проектируемая передача питания» (engineered power , EP) относится к индивидуальному дизайну линий передачи данных — как правило, для специализированных приложений. Например, спецификация Hiperface DSL [3] объединяет питание и данные на одних и тех же проводах энкодера управления электропривода. Также EPможно использовать для некоторых современных систем управления датчиками.

Типичные общие интерфейсы питания и передачи данных кодируются для уменьшения содержания сигнала постоянного напряжения, что позволяет упростить конструкцию системы при передаче значимого сигнала переменного напряжения. Однако многие цифровые интерфейсы датчиков (например, SPI и I2C) не кодируются и имеют переменное содержание постоянного напряжения, поэтому они не подходят для совместной передачи данных и питания. Для кодирования SPI или I2C требуется дополнительный микроконтроллер, что увеличивает стоимость и размер решения, как показано на рис. 1. Чтобы устранить необходимость в кодировании и дополнительном микроконтроллере, инженер-разработчик должен попытаться сделать больше с меньшими затратами, что требует тщательного проектирования и моделирования разрабатываемой схемы питания. Проектируемая схема питания (EP) состоит из индуктивностей, конденсаторов и схем защиты, которые вместе образуют фильтр.

Рис. 1. Возможные инженерные решения для питания MEMS-датчиков требуют

Разработка схемы проектируемой передачи питания по шине данных

Мощность и данные распределяются по паре проводов с помощью схемы, состоящей из конденсаторов и индуктивностей. Высокочастотные данные сопрягаются с линиями передачи данных через последовательные конденсаторы, которые также защищают приемопередатчик от постоянного напряжения в шине передачи. Источник питания подключается к главному контроллеру через индуктивность, подключенную к линии передачи данных, при этом на приемном узле питание отфильтровывается с помощью аналогичного индуктора.

LC-цепь образует фильтр высоких частот, поэтому схема сопряжения должна быть добавлена к параметрам линии передачи данных, где содержание данных по постоянному сигналу не ожидается. Однако некоторые интерфейсы не кодируются на физическом уровне для удаления содержимого постоянного сигнала, например SPI. В этом случае проектировщику системы необходимо рассмотреть худший сценарий содержания постоянного сигнала, когда все биты, передаваемые в кадре данных, являются логически высокими (100%-е содержание по постоянному сигналу). Выбранный индуктор также будет иметь заданную частоту собственного резонанса (SRF), выше которой значение индуктивности падает, а паразитная емкость увеличивается. Таким образом, спроектированная схема питания будет действовать в качестве фильтра как низких, так и высоких частот (т. е. как полосовой фильтр). Благодаря моделированию на основе LTspice  разработчик системы сможет значительно легче справиться с этим ограничением.

При портировании SPI на большие расстояния кабель и компоненты влияют на системное тактирование и синхронизацию данных. Максимально возможная тактовая частота SPI устанавливается системной задержкой распространения, которая включает задержку распространения сигнала по кабелю, а также задержки срабатывания компонентов схемы.

Рис. 2. Упрощение для анализа схемы сопряжения питания

На рис. 2 представлена упрощенная схема проектируемой шины питания, и эту схему можно использовать для анализа затухания сигнала в системе. Из-за применения индуктивности в схеме сопряжения с линией передачи данных напряжение в шине будет затухать, как можно увидеть на рис. 3. Анализ затухания напряжения очень важен: когда падение напряжения превышает 99% пикового напряжения, в сети возникают ошибки передачи отдельных битов. Система может быть спроектирована в соответствии с конкретными спецификациями падения напряжения и времени. Например, 1000BASE-T Ethernet предполагает падение напряжения на 27% за 500 нс, как показано на рис. 3.

Рис. 3. Процесс затухания напряжения и время затухания

В формулах (1)–(6) даны оценки величин индуктивности и емкости для достижения целевых значений напряжения и времени затухания. Предполагая, что в течение процесса затухания изменение напряжения на блокирующих постоянный сигнал конденсаторах незначительно, получаем следующую формулу для вычисления падения напряжения на последовательной LR-цепочке:

,

что можно упростить до:

Отсюда можно вывести определение индуктивности, основанное на целевых значениях напряжения падения, времени падения и сопротивления:

Коэффициент демпфирования для последовательной RLC-схемы задается следующей формулой:

Предположение ζ = 1 для критически затухающей системы дает выражение:

Рассчитаем частоту среза фильтра высоких частот схемы на основе полеченных формул для L и C:

Что в итоге дает соотношение для критически затухающей системы:

Преимущества LTspice

Веские причины использовать LTspice для моделирования проектируемой шины питания:

• Реальные модели индукторов, включая паразитные элементы, позволяют достичь более точного согласования моделирования с поведением реальной системы. В библиотеке LTspice доступны тысячи моделей индукторов от известных производителей, таких как Würth, Murata, Coilcraft и Bourns.
• В LTspice представлены модели приемопередатчиков физического уровня различных стандартов (CAN, RS-485), которые обычно недоступны в других симуляторах.
• Плоттер сигналов в LTspice позволяет быстро численно оценить мощность по проводам передачи данных.
• LTspice оптимизирован для анализа схем с использованием преобразователей напряжения как для LDO-регуляторов, так и для импульсных схем. При этом расчет таких систем происходит быстрее, чем в альтернативных симуляторах, что позволяет инженеру получить формы сигнала всего за несколько минут.
• Обширная библиотека проверенных демонстрационных схем в LTspice сокращает время на анализ системы.
• Библиотека элементов в LTspice насчитывает более 1000 моделей устройств питания от AnalogDevices, более 200 моделей операционных усилителей и моделей АЦП, а также включает модели резисторов, конденсаторов, транзисторов и МОП-транзисторов, что позволяет производить комплексную оценку предполагаемой схемы.

Продолжение статьи читайте в журнале «Компоненты и технологии» 7’2021