Webench w projektowaniu zasilaczy. Jeszcze nigdy projektowanie przetwornicy nie było takie proste

78 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 NOTATNIK KONSTRUKTORA Wprowadzenie Temat przetwornic impulsowych jest dla pewnego grona elektroników bardzo trudny. Postrzegają oni budowę tego typu zasilaczy jako bardzo skomplikowaną, gdzie trzeba, po pierw- sze, samodzielnie wykonać element indukcyjny, a po drugie, walczyć z zakłóceniami impulsowy- mi generowanymi przez ten układ. Z tego też powodu stosują oni stabilizatory liniowe, które są bardzo proste w użyciu, ale charakteryzują się niską sprawnością i dużymi stratami mocy. Nie jest to problemem, gdy zasilany obwód pobiera mały prąd i różnica pomiędzy napię- ciami wejściowym i wyjściowym jest niewielka. Webench w projektowaniu zasilaczy Jeszcze nigdy projektowanie przetwornicy nie było takie proste Współcześnie, dzięki Internetowi, rodzi się nowa klasa programów dostępnych za pomocą przeglądarki internetowej. Są to nie tylko popularne programy dla użytkowników domowych, ale również wspomagające projektowanie. Mają one tę ogromną zaletę, że użytkownik zawsze ma dostęp do najnowszej wersji, aktualizowanej na bieżąco przez producenta. Tego typu programem jest produkt udostępniany za darmo szerokiemu gronu użytkowników przez ?rmę National Semiconductor a wspomagający projektowanie zasilaczy (w tym również do diod LED), wzmacniaczy, sensorów, ?ltrów i pętli PLL. Tu zaprezentujemy zastosowanie tego jakże interesującego narzędzia do projektowania impulsowych zasilaczy niskiego napięcia. Wówczas relatywnie małe straty dają się rozpro- szyć chociażby z wykorzystaniem miedzi na płyt- ce drukowanej. Jednak w innych przypadkach trzeba stosować odpowiedni radiator i liczyć się z tym, że stabilizator będzie mocno podgrzewał elementy w swoim otoczeniu i znacząco wpły- wał na ich żywotność. Wad tych w większości przypadków nie mają stabilizatory impulsowe. Owszem, wymagają one zastosowania większej liczby elementów, jednak zalety tego typu roz- wiązania są ogromne, a za pomocą narzędzia o nazwie Webench udostępnianego przez ?rmę National Semiconductor na stronie internetowej pod adresem www.national.com/analog/we- bench jeszcze nigdy ich projektowanie nie było tak proste. I nie ma w tych słowach ani cienia przesady. Webench to program umożliwiający zapro- jektowanie zasilacza (w tym również do diod LED), sensora, wzmacniacza, ?ltra i pętli PLL. Jest to narzędzie o tyle uniwersalne, że umożliwia za- projektowanie układu o zadanych parametrach, natomiast komponenty półprzewodnikowe do- bierane są z oferty National Semiconductor. Jeśli chodzi o pozostałe elementy bierne, to program proponuje i producenta, i symbol, ale jednocze- śnie podaje parametry elementu umożliwiające jego dobór z oferty dowolnej ?rmy. W przypad- ku zasilaczy z przetwarzaniem, wymagających zastosowania transformatora, program podaje rodzaj rdzenia, jego przenikalność magnetycz- ną oraz średnicę drutu nawojowego i liczbę zwojów, które trzeba nawinąć. W większości prostych przetwornic proponowane są jednak komponenty, które można bez większych pro- blemów kupić u dystrybutorów jako gotowe. Program, a może raczej gotowy projekt wykonany z jego użyciem, jest także źródłem bezcennej wiedzy na temat komponentów, po- nieważ przeciętnemu konstruktorowi trudno jest ogarnąć ofertę tak wielkich producentów, jakim jest National Semiconductor i dobrać od- powiednie układy do aplikacji. Tymczasem pro- gram podpowiada typy układów i podaje ich podstawowe parametry, dzięki czemu można na przykład zauważyć, że współczesne zasilacze im- 79ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 Projektowanie zasilaczy 30 mm2 są zdolne do przewodzenia prądów rzę- du 3 A, nie wymagając przy tym żadnego radia- tora oprócz płytki, na której są zamontowane. Ich doprowadzenia są przy tym tak drobne, że trzeba je zwierać cyną przy lutowaniu po to, aby mogły przewodzić tak duży prąd. Zaprojektuj sobie przetwornicę Program wymaga stworzenia przez każde- go użytkownika unikatowego konta. Rejestrację przeprowadza się w typowy sposób, podając nazwę użytkownika, hasło i adres e-mail. Od tego momentu zarejestrowana osoba dysponu- je własnym pro?lem umożliwiającym, po pierw- sze, dostęp do programu, a po drugie, archiwi- zację danych wykonywanych projektów łącznie z przeprowadzonymi symulacjami. Jak łatwo się domyślić, projektowanie za- silacza rozpoczyna się od wskazania w głów- nym oknie menu opcji Power (rys. 1). Po pra- wej stronie ekranu pojawi się okienko, które umożliwia wpisanie parametrów projektowa- nego zasilacza. Należy pamiętać o tym, że rolę separatora dziesiętnego spełnia znak kropki, czyli prąd o wartości 500 mA należy wpisać jako 0.5 A. Identycznie dla napięć (np. 3.3 V). Okienko wprowadzania parametrów pojawia się w wersji uproszczonej, w której możliwe jest podanie zakresu napięć wejściowych, napięcia i prądu wyjściowego oraz temperatury otocze- nia, w którym będzie pracowała przetwornica. Po wskazaniu maleńkiego znaku plus w obrębie okna opisanego jako View advanced options ukażą się pola umożliwiające wprowadzenie dodatkowych parametrów (rys. 2). Mają one za- stosowanie dla przetwornic wielonapięciowych. Jest to jedna z zalet stosowania przetwornic ? pojedynczy układ scalony może generować kilka napięć, przy czym najczęściej jedno trak- towane jest jako główne i kontrolowane. Co do reszty zakłada się, że skoro napięcie główne jest poprawne, a do generowania używany jest ten sam mechanizm, to napięcia niekontrolowane również będą poprawne. Oczywiście nie zawsze musi to być prawdą, dlatego często stosuje się stabilizatory liniowe załączone na wyjściach przetwornicy spełniające rolę dodatkowych układów kontrolnych. W programie Webench napięciem głównym jest to opisane jako Out- put. Konstruktor przetwornicy o wielu wyjściach powinien zatem zawsze rozważyć hierarchię na- pięć i zdecydować, które z nich będzie wpływać na pętlę sprzężenia zwrotnego. Webench umożliwia projektowanie prze- twornic o maksymalnie trzech napięciach wyj- ściowych. Wprowadzenie wartości prądów i na- pięć w polach Output2 i Output3 jest równoważ- ne z uruchomieniem projektu zasilacza dwu- lub trój-napięciowego. Oprócz tego można wybrać, czy zasilacz ma być wyposażony w wejście włą- czające (On/Off Pin), czy ma sygnalizować prze- kroczenie parametrów pracy np. przeciążenie (Error Flag) i czy ma być synchronizowany za po- mocą sygnału zewnętrznego (Sync Pin). Proste odpowiedzi Yes (tak), No (nie), Ignore (ignoro- wane tj. nieważne) udzielone przez zaznaczenie odpowiedniego pola załączają lub wyłączają od- Rys. 1. Okno menu wyboru Rys. 2. Okno parametrów zasilacza Rys. 3. Układy scalone proponowane przez program do przetwornicy Rys. 4. Efekt działania programu Webench w postaci schematu przetwornicy pulsowe wykorzystują nawet częstotliwości oko- ło 3 MHz lub że oferują sprawność rzędu 98%. Mało tego ? częstotliwość przetwarzania nie jest ustawiona na stałe, dzięki czemu można ją zmie- nić w zależności od wymagań stawianych przez zasilany obwód. Można się również przekonać, że układy scalone zajmujące powierzchnię około 80 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 NOTATNIK KONSTRUKTORA powiednie opcje. Pola pełnią rolę swego rodzaju ?ltra zawężającego wybór układów. Po wpisaniu parametrów i wskazaniu opcji Start Design uruchamiany jest projekt przetwor- nicy. W trakcie pisania artykułu dostępne były dwie wersje programu: nowa (beta) napisana z użyciem Adobe Flash oraz stara, wykorzystująca język Java Script. Ten opis dotyczy wersji nowej. Przykładowy projekt zasilacza wykonano po wprowadzeniu następujących parametrów roboczych: ? zasilanie od 21 do 27 VDC; ? pojedyncze napięcie wyjściowe 5 V przy prądzie 0,5 A; ? temperatura otoczenia 45°C; ? brak sygnalizacji błędu i synchronizacji, ale z wejściem umożliwiającym załączenie/wy- łączenie. Po wybraniu Start Design na środku ekranu pojawia się okno z układami proponowanymi do projektu. Na samej górze wyświetlane są kryteria wyboru danego komponentu, nieco niżej jego podstawowe parametry (wraz z kon?guracją, w której będzie pracować przetwornica ? tab. 1). Na samym dole umieszczona jest cena układu scalonego do przetwornicy. Należy ją traktować jako orientacyjną, ponieważ jest to koszt zakupu układu u producenta, po spełnieniu pewnych warunków. Ponowne wybranie Start Design już przy nazwie wybranego komponentu uruchamia właściwy projekt przetwornicy (rys. 3). Oczywi- ście, jak każdy dobry program, tak i Webench zawsze umożliwia użytkownikowi nie tylko wy- bór ?w przód?, ale również cofnięcie się i zmianę parametrów, elementów i kryteriów wyboru. Użytkownik może, ale nie musi kierować się sugestiami producenta. Może na przykład stwierdzić: ?Mam w magazynie LM5000 i to wła- śnie tego układu chcę użyć?. Jeśli tylko znajduje się on na liście proponowanych na samym dole komponentów, wystarczy go odszukać i wskazać ? wówczas to właśnie ten układ zostanie użyty w projekcie. Można napotkać jednak tę trudność, że posiadany układ wymieniony jest na liście, ale przy jego nazwie brak jest opcji wyboru. W takiej sytuacji powodem najczęściej są zadane parametry graniczne związane bądź to z mocą dostarczaną do obciążenia, bądź z wartością napięcia wejścio- Tab. 2. Opcje menu programu Webench Od lewej: 1) powrót do początku projektu, 2) wprowadzenie lub mody?kacja parametrów prze- twornicy, 3) przegląd listy układów, 4) przegląd proponowanych projektów, 5) wybór projektu, 6) tworzenie schematu przetwornicy, 7) zmiana parametrów przetwornicy (sprawność, częstotliwość pracy itp.), 8) wyświetlenie komponentów z wymaganiami dotyczącymi ich parametrów, 9) urucho- mienie symulacji elektrycznej, 10) uruchomienie symulacji termicznej, 11) zakup komponentów lub zamówienie próbek, 12) drukowanie opracowanej konstrukcji. Rys. 5. Analiza Load Transient i przykładowy wykres UWE (t) i UWY (t) nałożone na siebie (tętnienia UWY ok. 100 mV) Tab. 1. Topologie przetwornic Buck lub Step down ? przetwornica obniża- jąca napięcie, element indukcyjny to dławik Boost lub Step up ? przetwornica podnoszą- ca napięcie, element indukcyjny to dławik Inverting ? przetwornica odwracająca polaryzację napięcia wejściowego wykony- wana z użyciem pojemności lub wyposażona w dławik Flyback ? przetwornica przeciwbieżna, naj- częściej proponowana w zasilaczach mających wiele napięć wyjściowych, wówczas wymaga zastosowania transformatora wego lub innymi. Jednym słowem: układ raczej nie nadaje się do projektowanego zasilacza. Jeśli brak go na liście, wówczas nie nadaje się z całą pewnością. Na potrzeby projektowanej przetwor- nicy wybrano układ LM25574 sugerowany przez program, kierując się jego odpornością na krótkie, impulsowe zakłócenia napięcia wejściowego. Kolejny obraz wyświetlany przez program to już schemat gotowej przetwornicy (rys. 4). Na górze ekranu umieszczono pasek menu (tab. 2) umożliwiający użytkownikowi łatwe poruszanie się w obrębie programu, zmianę projektowane- go układu, a na końcu odsyłającego użytkow- nika do opcji zakupu, w której można nabyć zarówno gotową, zaprojektowaną przetworni- cę w postaci układu ewaluacyjnego, jak i kom- ponenty półprzewodnikowe produkcji National Semiconductor lub zamówić ich próbki. W zasadzie w tym momencie można by było już opis zakończyć. Wielokrotnie wypró- bowałem, że można zaufać podpowiadanemu schematowi i zbudować na jego podstawie funkcjonalną przetwornicę. Niemniej jednak aktualna wersja programu ma różne ciekawe opcje dla dociekliwych, którzy chcą sprawdzić, jak ich układ będzie zachowywał się w zależ- ności od parametrów zastosowanych kompo- nentów. Wybranie opcji symulacji elektrycznej układu umożliwia prześledzenie szeregu cha- rakterystyk i przebiegów tak, jakby do funk- cjonującego układu dołączono oscyloskop lub wykonano szereg pomiarów i na tej podstawie wykreślono odpowiednie charakterystyki. Przy obliczaniu niektórych charakterystyk trzeba uzbroić się w cierpliwość, ponieważ trwa około 3?5 minut (np. Load Transient tj. przebiegi na- pięć i prądów związanych z obciążeniem). Obli- czenia wykonywane są przez serwer, natomiast użytkownik otrzymuje ich wyniki. Dzięki temu szybkość pracy programu nie jest zależna od ja- 81ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 Projektowanie zasilaczy Rys. 6. Mody?kacja parametrów kondensatora nać połączenia we własnym urządzeniu, ponie- waż przetwornica raczej znajdować się będzie na płytce drukowanej wraz z innymi komponen- tami. Jednak jest jeszcze jedna bardzo ważna symulacja, dla której niezmiernie istotny jest projekt płytki. Jest to symulacja termiczna. Program, uwzględniając zadane parametry, przeprowadza symulację termiczną, wyświetlając estymowane, maksymalne temperatury kompo- nentów przy maksymalnym prądzie obciążenia. Sy- mulacja umożliwia konstruktorowi elektronikowi ostateczną ocenę zaprojektowanej przetwornicy. Po prawej stronie ekranu umieszczono szereg róż- nych opcji umożliwiających określenie warunków pracy przetwornicy, to jest orientacji płytki (Board Orientation), temperatury od spodu (Ambient Temperature On Bottom) i od góry (?On Top), sposobu, w jaki przepływa powietrze chłodzące płytkę i jaką ma prędkość (pole Air Flow) oraz tem- peratury krawędzie (pole Edge Temperatures) dla przypadków, w których płytka umieszczona jest blisko rozgrzewających się obwodów. Można także w prosty i tani sposób przeko- nać się, jak wpływa w czasie pracy na temperatu- rę układu chociażby grubość miedzi na zastoso- wanym laminacie (rys. 7 i 8, opcja Copper We- ight) czy wybrana częstotliwość przetwarzania. Można wreszcie sprawdzić, jak uzyskuje się wyż- szą sprawność przetwornicy bez zmiany samego układu scalonego, jakie parametry ulegną zmia- nie i czy można zbudować przetwornicę z tych R E K L A M A kości komputera, na którym go uruchomiono, i systemu operacyjnego, pod którego kontrolą pracuje. Uzyskane przebiegi są wyskalowane i dzięki temu można estymować spodziewane wartości (rys. 5). Oprócz tego wykresy można nakładać na siebie, obserwując napięcia i prądy zależne w różnych punktach obwodu. Można również mody?kować parametry komponen- tów i obserwować, jak wpływają one na jakość pracy przetwornicy. Listę parametrów uzyskuje się po dwukrotnym kliknięciu na symbolu ele- mentu. Wybranie klawisza Edit pozwala na ich zmianę (rys. 6). Oczywiście charakterystyki wykreślane są na podstawie matematycznych modeli elementów. Symulacja przypomina trochę tę wykonywaną przez popularny program PSpice. Zupełną nowo- ścią w programie jest projekt płytki drukowanej, który dostępny jest dla niektórych przetwornic w formacie Altium Designer. Użyteczność takie- go projektu w większości przypadków ogranicza się co prawda do podejrzenia, jak należy wyko- 82 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 NOTATNIK KONSTRUKTORA samych komponentów biernych, oraz czy zmieni się w związku z tym temperatura jej pracy? Przykład takiej symulacji wykonanej dla przetwornicy o sprawności 84% (rys. 9) i 89% (rys. 10) przedstawiono na kolejnych rysunkach. Łatwo zaobserwować, że mniejsza sprawność to w przypadku projektowanej przetwornicy także mniejsze jej wymiary, jednak rośnie częstotliwość przetwarzania (ze 150 kHz do 787,5 kHz) i jedno- cześnie wzrasta temperatura, do której rozgrze- wają się komponenty. Na przykład dioda Schottky- -ego w czasie pracy rozgrzeje się aż do blisko 70°C (przy założonej wcześniej temperaturze otoczenia 45°C). Może to być przyczynkiem do rozważenia sposobu jej montażu oraz rodzaju stosowanego w ostatecznym produkcie komponentu. Rosną też straty w rdzeniu, ale może on być mniejszy. Przy jeszcze wyższych częstotliwościach bardzo często rezygnuje się z rdzenia ferrytowego na rzecz cewki Rys. 10. Przetwornica o sprawności 89% Rys. 7. Symulacja termiczna, grubość miedzi 0,07 mm Rys. 8. Symulacja termiczna, grubość miedzi 0,14 mm Rys. 9. Przetwornica o sprawności 84% powietrznej, wykonywanej częstokroć jako nadruk na płytce wielowarstwowej. Wyższa sprawność proponowanego rozwią- zania wiąże się z obniżeniem temperatury pra- cy, ale jednocześnie trzeba użyć dławika o dużo większych rozmiarach. Układ zajmie więcej miej- sca, ale prawdopodobnie lepiej nadaje się do za- stosowań profesjonalnych, ponieważ układ sca- lony przetwornicy rozgrzewa się w czasie pracy do niespełna 56°C, a temperatura reszty kompo- nentów jest zbliżona do temperatury otoczenia. Podsumowanie Nie sposób w ramach tej krótkiej prezentacji zawrzeć opisu wszystkich funkcji programu We- bench. Zachęcam do samodzielnych eksperymen- tów, do budowy różnych, chociażby wirtualnych przetwornic na próbę. Jest to pouczająca lekcja elektroniki, dzięki której można zaznajomić się nie tylko z ofertą nowocze- snych komponentów i sprawdzić, co piszczy w trawie, ale również obserwować, nie ponosząc praktycznie żadnych wydatków, jak parametry komponentów rzutują na pracę całego układu. Oscylogramy, wykresy, charakterystyki są napraw- dę wartościowym źródłem informacji zwłaszcza, że jak stwierdziłem w praktyce, przy zachowaniu zaleceń odnośnie do sposobu wykonania płytki drukowanej, wyświetlane na podstawie modeli parametry nie odbiegają od rezultatów pomiarów rzeczywistego, funkcjonującego układu. Myślę, że w ten sposób łatwiej będzie również podjąć decyzję, czy zastosować gotową przetwornicę z bogatej oferty rynkowej, czy też zbudować wła- sną, mając solidne podstawy w postaci wykazu elementów i wyników symulacji, które można skonfrontować z ofertą rynkową. Mnie Webench umożliwił bezbolesne wejście w świat samodziel- nie budowanych zasilaczy impulsowych. To coś zupełnie innego niż bezduszna nota aplikacyjna wydrukowana na kartce papieru. Jacek Bogusz, EP jacek.bogusz@ep.com.pl