Схемотехническое моделирование блока питания

Моделирование является одним из новых и мощных инструментов, существенно облегчающих инженерный труд и трудоемкость работ. Моделирование позволяет определить работоспособность схемы, режимы работы составляющих её элементов и выявить пути совершенствования для достижения требований технического задания, что, в конечном счете, повышает качество спроектированного изделия и его надежность.

При моделировании составленной схемы источника питания необходимо определить/проверить:

— общую работоспособность составленной схемы;

— время выхода на установившееся напряжение при номинальном токе, отдаваемом в нагрузку, и амплитуду пульсаций в этом режиме;

— диапазон допустимых входных напряжений;

— рабочие режимы элементов, используемых в принципиальной электрической схеме, — для их сопоставления с предельно допустимыми параметрами, задаваемыми для каждого элемента.

Для выполнения моделирования была выбрана программа WinSPICE 1.03 [7]. Тексты, описывающие моделируемую схему на входном языке, приведены для каждого из этих случаев в приложении 1. Для диодов Д226А использовалась модель со стандартными параметрами и с обратным током 0,1 мкА, для стабилитронов — с обратным током 0,1 мА и напряжением обратного пробоя 9,0 В.

1. Общая проверка работоспособности. Схема моделируется во временной области с определением напряжения на выходе схемы при нагрузке, равной 200 Ом (соответствует номинальному току 45 мА при выходном напряжении 9 В). Входное напряжение — синусоидальное, амплитудой 311 В, что соответствует действующему значению 220 В. Интервал моделирования должен быть достаточен для выхода схемы на установившийся режим. Результат моделирования представлен на рис. 2.

Рис. 2. Расчетная осциллограмма напряжения на выходе блока питания

Как видно из приведенного рисунка, на выходе схемы при номинальной нагрузке формируется напряжение со средним значением около 8,65 В, что соответствует требованиям технического задания.

2. Время выхода на установившееся напряжение при номинальном токе. С использованием тех же параметров моделирования могут быть оценены значения времен выхода на установившийся режим и амплитуда пульсаций (рис. 3). Они составляют соответственно около 165 мс и менее 0,1 В, что соответствует требованиям технического задания.

Рис. 3. К оценке амплитуды пульсаций и длительности выхода на установившийся режим

3. Определение диапазона допустимых входных напряжений. Нижний предел входных напряжений определяется допустимой амплитудой пульсаций и требованиями по расположению среднего напряжения в интервале от 8,5 до 9 В. Снижение питающего напряжения приводит к увеличению амплитуды пульсаций за счет уменьшения удельной длительности заряда емкости С3 в схеме на рис. 1. Многократное моделирование показало, что при амплитуде входного напряжения менее 250 В (173 В эфф.) выходное напряжение при номинальной нагрузке сохраняет допустимую амплитуду пульсаций на уровне 0,11 В, однако среднее напряжение становится менее 8,5 В (рис. 4). Таким образом, для разрабатываемого источника питания нижний уровень входного напряжения составляет 173 В, что меньше заявленного в техническом задании уровня — 180 В.

Повышение питающего напряжения приводит к снижению амплитуды пульсаций и мало влияет на среднее значение выходного напряжения, но ведет к возрастанию прямых токов через диоды выпрямительного моста. Результаты моделирования показывают, что на начальном интервале времени амплитудное значение прямого тока через диоды Д226А составляет около 88 мА, в то время как допустимое значение среднего прямого тока равняется 100 мА, и оно не должно превышаться для сохранения надежности функционирования схемы.

Рис. 4. К определению нижней границы диапазона входных напряжений

При амплитудном значении входного напряжения, равном 360 В (около 255 В эфф.) амплитудное значение прямого тока через диоды составляет чуть более 100 мА
(рис. 5). Это значение выше заданной в техническом задании верхней границы — 250 В.

Рис. 5. К определению верхней границы диапазона входных напряжений

Таким образом, устройство с предложенной схемой удовлетворяет требованиям технического задания на проектирование в части выходных параметров.

4. Определение рабочих режимов элементов. Для сравнения с предельно допустимыми значениями следует определить:

— для резисторов — среднюю выделяемую мощность;

— для конденсаторов — максимальное напряжение;

— для диодов — максимальный прямой ток и обратное напряжение;

— для стабилитронов — максимальный ток в режиме стабилизации.

Эти параметры были определены при номинальном входном напряжении. Они сведены в таблицу 2.

Таблица 2. Характеристики рабочих режимов радиоэлементов блоков питания

Из таблицы 2 следует, что все используемые в блоке питания элементы работают в допустимых режимах, что соответствует условию надежного функционирования устройства.