Моделирование пульсаций отрицательного напряжения в системе накачки заряда и на выходе микросхемы двухполярного DC–DC преобразователя LM27762

Представлены результаты моделирования работы микросхемы двухполярного DC−DC преобразователя LM27762 с помощью программного обеспечения WEBENCH Power Designer, разработанного компанией-производителем Texas Instruments. Расчеты проведены непосредственно на сайте компании. При выполнении экспериментальных исследований была использована полученная от производителя микросхемы LM27762 готовая тестовая плата – тестовый модуль LM27762EVM. Наличие тестовой платы, модели и программного обеспечения, созданных производителем микросхемы, снимает все проблемные вопросы сопоставления результатов моделирования с результатами эксперимента, которые могут быть связаны с использованием компонентов схемы с отличающимися характеристиками и влиянием разводки платы. В технической документации на микросхему отсутствует информация о характеристиках использованных в микросхеме ключей и конденсаторов. К сожалению, нет и описания разработанной модели. Основное внимание уделено влиянию токов нагрузки на пульсации отрицательного напряжения на выходе системы накачки заряда и выходе микросхемы. Моделирование показало, что уже при токе нагрузки 40 мА система регулирования переходит в режим работы с постоянной частотой накачки заряда, в то время как согласно результатам экспериментов, система регулирования продолжает работать в режиме пачек импульсов и при большем токе 50 мА. Для такого тока пачка состоит из 15 импульсов переноса заряда, промежутки между пачками составляют 3 мкс, а увеличение отрицательного напряжения за пачку импульсов также составляет примерно 75 мВ. Выполнено сравнение результатов моделирования с результатами экспериментов. Показано, что созданная производителем модель работы микросхемы LM27762 является приближенной. Установлено, что из-за большого количества допущений в созданной модели микросхемы при работе микросхемы в режиме пачек, который реализуется при относительно малых токах нагрузки, расхождения по числу циклов «разряд-заряд», по размаху пульсаций на выходе системы накачки и по промежуткам времени между пачками весьма значительны. Модель работы микросхемы не позволяет получать данные по пульсациям отрицательного напряжения на ее выходе. Эксперименты показали, что приводимые в документации на микросхему очень ограниченные данные по пульсациям выходного напряжения являются заниженными. Они существенно зависят от входного и выходного напряжения и токов нагрузки. В целом сравнение результатов моделирования работы системы накачки заряда микросхемы LM27762 при ее работе в режиме пачек с соответствующими результатами экспериментов показывает, что на качественном уровне совпадение результатов расчета с экспериментом можно считать удовлетворительным. Обнаруженное расхождение результатов экспериментов с результатами моделирования, полученными при использовании модели производителя LM27762, показали, что реальная проверка совершенства микросхем должна опираться на три фактора: эксперимент, моделирование и совместный анализ полученных результатов.

моделирование, тестирование, пульсации, микросхема, DC–DC преобразователь, накачка заряда, инвертор, «летающий» конденсатор, LDO, режимы пачки импульсов и постоянной частоты

1. V Input Multi-channel System Power Supply IC BD9862MUV. Datasheet No. 10035EAT16. Rohm Semiconductor. 2010. P. 1-16.

2. Low Noise Dual Supply Inverting Charge Pump LTC3260. Datasheet 3260fa. Linear Technology. 2012. P. 1-19.

3. LM27762 Low-Noise Positive and Negative Output Integrated Charge Pump Plus LDO. Datasheet SNVSAF7B. Texas Instruments Incorporated. 2016 (Rev. 2017). P. 1-29.

4. Битюков В.К., Петров В.А., Сотникова А.А. Работа инвертирующего DC–DC преобразователя с накачкой заряда и LDO в микросхеме LM27762. Вестник Концерна ВКО «Алмаз-Антей». 2019;1(28):35-43.

5. Битюков В.К., Михневич Н.Г., Петров В.А. Пульсации напряжения отрицательной полярности на выходе двухполярного DC–DC преобразователя при близком к предельному входном напряжении. Российский технологический журнал. 2019;7(4):31-43. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2019-7-4-31-43

6. Ремнев А.М., Смердов В.Ю. Анализ силовых ключей импульсных источников питания. Схемотехника. 2001;6:8-11.

7. Чернышов Н.Г., Чернышова Т.И. Моделирование и анализ схем в Electronics Workbench. Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2005. 52 с.

8. Лурье М.С., Лурье О.М. Имитационное моделирование схем преобразовательной техники. Красноярск: СибГТУ, 2007. 138 с. ISBN 978-5-8173-0473-2

9. Дягилев В.И., Коковин В.А., Увайсов С.У. Моделирование процессов в схеме силового преобразователя при регулировании его выходного напряжения. Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. 2013;1:408-411.

10. Бабенко В.П., Битюков В.К., Симачков Д.С. Схемотехническое моделирование DC/DC преобразователей. Информационно-измерительные и управляющие системы. 2016;14(11):69-82.

11. Бабенко В.П., Битюков В.К., Симачков Д.С. Схемотехническое моделирование устройства контроля положения привода в пространстве. Электромагнитные волны и электронные системы. 2016;21(4):11-19.

12. Дягилев В.И., Коковин В.А., Увайсов С.У., Увайсова С.С. Компьютерное моделирование работы силового преобразователя с выходным синусоидальным напряжением. Информационные технологии. 2016;22(4):261-266.

13. Битюков В.К., Симачков Д.С., Бабенко В.П. Источники вторичного электропитания. Учебник. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Инфра-Инженерия. 2019. 376 с. ISBN 978-5-972-902675

14. Babenko V.P., Bityukov V.K. Simulation of Switching of High-Power FETs Using the Electronics Workbench Software. Journal of Communications Technology and Electronics. 2019;64(2):176-181. https://doi.org/10.1134/S1064226919020025

15. Using the LM27762EVM Evaluation Module. User’s Guide, SNVU534, Texas Instruments. 2016. 19 p. URL: http://www.ti.com/lit/ug/snvu534/snvu534.pdf

16. Hymowitz C., Ho P., Sandler S. Why Regulators Need Testing, Modeling and Analysis. Space Power.2015. AEi Systems. 2015. P. 1-13.