Моделирование передачи питания с помощью симулятора LTspice. Часть 2

В статье представлены справочная информация и рекомендации по моделированию решений для передачи питания по линиям связи (engineered power) с использованием LTspice. Помимо оптимизации схемы передачи питания, симулятор LTspice позволяет провести исследование полной сигнальной цепи MEMS-вибросенсора. Как известно, у MEMS-датчиков либо цифровые, либо аналоговые выходы. Для сенсоров с аналоговыми выходами с помощью LTspice можно смоделировать практически всю цепочку сигналов: в схеме расчетов будут учтены как свойства операционного усилителя и аналого-цифрового преобразователя (АЦП), так и частотная характеристика MEMS-датчика.

Использование LTspice для анализа процесса затухания

Упрощенная схема моделирования передачи питания по проводам данных приведена на рис. 4.

Схема моделирования в LTSpice передачи питания по проводам данных с макромоделями LTC2862 приемопередатчика RS-485 и индуктора 1 mH (Würth 74477830)

Рис. 4. Схема моделирования в LTSpice передачи питания по проводам данных с макромоделями LTC2862 приемопередатчика RS-485 и индуктора 1 mH (Würth 74477830)

В этой схеме применены макромодели LTC2862 приемопередатчика RS-485 и индукторы 1 mH (Würth 74477830). LTspice использует модели индукторов, включающие паразитные элементы, что обеспечивает более тесную корреляцию между моделированием и реальным поведением проектируемой схемы. Значение блокирующего конденсатора постоянного тока составляет 10 мкФ. В целом использование более высоких значений индуктивности и конденсатора обеспечивает более низкую скорость передачи данных в сети связи. В нашем примере выбрана скорость передачи данных 250 кГц, что примерно соответствует 100 м передачи данных по кабелю [4] при переносе интерфейса SPI, синхронизированного с системным тактом, по интерфейсу RS-485. Форма сигнала входного напряжения, используемая в моделировании, соответствует худшему варианту сигнала постоянного напряжения: выбраны все логические старшие биты в 16-битном слове. Результаты моделирования представлены на рис. 5 и 6.

Результат моделирования с дифференциальным напряжением шины RS-485 V(A,B) и точками затухания X и Y

Рис. 5. Результат моделирования с дифференциальным напряжением шины RS-485 V(A,B) и точками затухания X и Y

Форма сигнала входного напряжения (VIN) соответствует выходу на удаленном питаемом устройстве (ошибок связи нет). На рис. 6 представлен увеличенный вид дифференциальной формы сигнала напряжения шины (разница напряжений между точками А и В) для анализа затухания. Напряжение на удаленном сенсорном узле, извлекаемое из индуктора L2 (V(pout)), обеспечивает генерацию шины питания 5 В ± 1 мВ.

Анализ затухания для точек X и Y

Рис. 6. Анализ затухания для точек X и Y

Значения VDROOP, VPEAK и TDROOP измеряются на основе расчетного значения в LTspice (рис. 5 и 6). Затем значения L и C вычисляются с использованием формул (2) и (4). Расчетное значение L составляет 1–3 мГн, как показано в таблице, но оно может меняться в зависимости от того, где измеряются входные данные по форме сигнала. Измерение в точке X является наиболее точным и дает правильное значение индуктивности на уровне приблизительно 1 мГн. Частота фильтра высоких частот (формула (6) является функцией времени и напряжения затухания, и для точки X частота приблизительно равна 250 кГц/32 для 1 бита (половина такта), что соответствует форме входного сигнала (V3), показанной на рис. 5.

Стоит отметить, что при выполнении моделирования, показанного на рис. 4, конденсатор C8 рекомендуется применить для снижения пульсаций напряжения на датчике (VPOUT в узле приема питания). С добавлением C8 превышение напряжения достигает максимум 47 мВ и устанавливается в пределах 1 мВ от желаемых 5 В постоянного напряжения в течение 1,6 мс. Моделирование без конденсатора C8 приводит к недогруженной системе с превышением 600 мВ и постоянному колебанию напряжения 100 мВ при целевом значении шины питания 5 В.

Значение C составляет 0,4–1 мкФ, как показано в таблице. Значение C меньше значения блокирующего постоянный сигнал конденсатора 10 мкФ, поскольку схема содержит дополнительные последовательные конденсаторы (1 мкФ, 100 мкФ) и может быть перегружена, что противоречит расчету на основе уравнений (1)–(6).

Таблица. Анализ затухания: использование VDROOP/VPEAK и TDROOP для определения индуктивности и емкости цепи

Точка расчета

Измерено на
графике в LTspice

Рассчитано на основе
формул (1)–(6)

VDROOP, В

VPEAK, В

VDROOP/
VPEAK

TDROOP, мкс

R, Ом

L, мГн

C, мкФ

X

2,85

6,06

0,47

7,54

107

1,1

0,4

Y

5,14

6,06

0,85

63,6

107

3,6

1,2

 

Моделирование более сложных схем передачи энергии

Добавление LDO-регулятора или импульсного преобразователя на стороне датчика позволяет передавать от основного узла постоянное напряжение стандартного промышленного уровня, такого как 12 или 24 В. Выбор LDO-регулятора или импульсного преобразователя зависит от требований приложения. Если приложение использует уровень постоянного напряжения 12 В, то LDO-регулятор поможет обеспечить сверхнизкие шумовые характеристики с допустимым рассеиванием мощности на стороне датчика. В случае напряжения уровня 24 В и выше рекомендуется использовать более эффективный импульсный преобразователь для снижения потерь мощности. Архитектура аналоговых конвертеров напряжения с низким уровнем шума Silent Switcher помогает достичь повышенной энергоэффективности при низких уровнях шума.

Уровень напряжения 24 В широко используется в железнодорожной электронике, промышленной автоматизации и аэрокосмических системах. Стандарт EN 501555 [5] для железнодорожной электроники определяет номинальное входное постоянное напряжение 24 В при допустимых отклонениях входного напряжения 0,7–1,25 В с расширенными диапазонами от 0,6 × VIN до 1,4 × VIN. Таким образом, у допустимого преобразователя напряжения должен быть широкий диапазон входных сигналов 14,4–33,6 В.

Таким образом, регулятор LTM8002 Silent Switcher µModule отлично подходит для датчиков вибрации с ограниченным пространством, используемых для мониторинга железнодорожного подвижного состава, в корпусе BGA размером 6,25×6,25 мм и широким диапазоном входного напряжения 3,4–40 В.

Использование малошумящего регулятора напряжения LTM8002 на стороне датчика позволяет более гибко выбирать шину питания на основном узле

Рис. 7. Использование малошумящего регулятора напряжения LTM8002 на стороне датчика позволяет более гибко выбирать шину питания на основном узле

Рис. 7 повторяет схему, представленную на рис. 4, с добавлением LTM8002 и питания 24 В от основного модуля с подачей к сенсору. Моделирование показывает время нарастания 1 мс до желаемого выходного напряжения 5 В ± 1% на LTM8002 (рис. 8). Рекомендуется реализовать временную задержку 2–3 мс от момента включения питания до включения связи между основным узлом и сенсором. Это обеспечит достоверность получаемых данных после включения питания.

Нарастание питания до требуемых 5 В при включении в течение 1 мс и задержка 2–3 мс обеспечивают ожидание системы до старта подачи достоверных данных

Рис. 8. Нарастание питания до требуемых 5 В при включении в течение 1 мс и задержка 2–3 мс обеспечивают ожидание системы до старта подачи достоверных данных

Литература
  1. IEEE 802.3bu-2016 — IEEE Standard for Ethernet — Amendment 8: Physical Layer and ManagementParameters for Power over Data Lines (PoDL) of Single Balanced Twisted-Pair
  2. Gardner A. PoDL: Decoupling Network Presentation // Linear Technology, May
  3. Hiperface DSL — the Digital SICK Sensor Intelligence, October 2020.
  4. Anslow R., O’Sullivan D. Enabling Robust Wired Condition-Based Monitoring for Industry 0 — Part 2.Analog Devices, Inc., November 2019.
  5. EN 50155 : 2017 Railways Applications Electronic Equipment Used on Rolling
  6. Alonso G., Lokere K. LTspice: Simulating SAR ADC Analog Analog Devices, Inc., November 2017.
  7. Cook E. Use LTspice to Simulate Mixed Continuous and Sampled Systems // EDN Asia, January 2020.
  8. Bramble S. Using LTspice to Analyze Vibration Data in Condition-Based Monitoring Systems // AnalogDialogue, June 2020. 54, No. 2.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Разрешаю передать мой контактный e-mail компаниям Analog Devices и Arrow Electronics для предоставления дополнительной информации