1.RCC(Ringing Choke Converter)について
May 30, 2018 | Author: Anonymous | Category: N/A
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NI Multisim 10.1
Design Kit
RCC(Ringing Choke Converter) Output Voltage=12(V),Output Current=1(A)
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目次 1.RCC(Ringing Choke Converter)について 1.1 起動動作について 1.2 定常動作について 1.3 ソフトスタート動作について 2.回路シミュレーションの等価モデルの考え方 2.1 パルス電源 2.2 トランスの考え方 2.3 チョークコイルの考え方 2.4 trbを表現出来るダイオードモデル 2.5 順方向・逆方向を表現出来るツェナ－・ダイオードモデル 2.6 フォトカプラのモデル 2.7 シャント・レギュレータのモデル 3.回路解析シミュレーションにおける各部の波形 3.1 出力電圧 3.2 出力電流 3.3 Q1の波形 3.4 Q1,Q2,C4の波形 3.5 D8,Q1の波形 3.6 シャントレギュレータの電圧波形 3.7 トランスの波形 All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc.
1.RCC(Ringing Choke Converter)について D2
2 R1 47kΩ
13
C1 47nF
D1FS4
6
D4 1SR154-600_s
C2 28pF
R2 30kΩ
1
4
2 5
3
6
R13 100mΩ 15
Q2SC3153
C3 7
47nF
R4
8
R5
11
50mΩ R7 5.7kΩ 21
R10 150mΩ 22
16 C6 2.2mF
R8 1.5kΩ
RL 12Ω
C7 1mF
22Ω
R9 220Ω
12
22Ω
D1 0 V 120 V 200msec 500msec
18
R3 330kΩ Q1
V1
R11
R12 100mΩ
C5 2.2mF
R14 1Ω
R15 1µΩ
5
17
T1
4
1
10µH
U1
3
R16 200mΩ
L4
14
19
1SR154-600_s
9 R6
Q2 Q2SD596
C4 510Ω 47nF
10
D3
20 U3 PC356NT
U2 AN1431T
MTZJ3BS
RCC回路方式は、自励式フライバック・コンバータと呼ばれております。大きな特徴は、 外部クロックを必要とせずにトランスとスイッチング・トランジスタとで発振動作を行う事が 出来る為、回路構成が比較的単純であり、製造コストも抑える事が出来ます。
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1.RCC(Ringing Choke Converter)について D2
2 R1 47kΩ
13
C1 47nF L1
6
D4 1SR154-600_s
L3
C2 28pF
R2 30kΩ
1
4
2 5
3
6
L2
Q2SC3153
C3 7 47nF
R4
8
R5
11
R12 100mΩ
15
16
50mΩ
C6 2.2mF
R7 5.7kΩ
R10 150mΩ
21
22
R8 1.5kΩ
RL 12Ω
C7 1mF
22Ω
R9 220Ω
12
22Ω
D1 0 V 120 V 200msec 500msec
18
R3 330kΩ Q1
V1
R13 100mΩ
C5 2.2mF
R14 1Ω
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T1
4
1
10µH
D1FS4
17
U1
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R16 200mΩ
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14
19
1SR154-600_s
9 R6
Q2 Q2SD596
10
C4 510Ω 47nF
D3
20 U3 PC356NT
U2 AN1431T
MTZJ3BS
回路動作の確認に為、回路図を印刷し、手元に置く事をお勧め致します。 All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc.
1.RCC(Ringing Choke Converter)について
1.1 起動動作について この回路解析シミュレーションでは交流電源整流回路をパルス電源にて 置き換えています。パルス電源V1が立ち上がると起動抵抗R3を通じて、 Q1にベース電流が流れます。また、ベース電流に相当するコレクタ電流 が流れ始め、L1巻線に電圧が印加される為、制御巻線L3にQ1を駆動する 電圧が発生し、R5,R4,C3,D1を通り、C4を充電します。 C4の充電電圧がQ2のオン電圧(約0.75(V))になるとQ2がオン状態になる為、 Q1はオフになります。Q1がオフするとL1巻線に蓄積されていたエネルギー がL2巻線を通じてD2を通り、放出されます。この時、L1巻線にはQ1がオン していた時とは逆の電圧が発生しますので、制御巻線L3にも逆電圧が発生 し、C4を再充電します。
L1に蓄積されているエネルギーの放出が終わり、D2がオフするとL3巻線に Q1を駆動する方向の電圧が発生し、Q1がオンします。このようにして スイッチングを繰り返していきます。
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1.RCC(Ringing Choke Converter)について
1.2 定常動作について U2シャントレギュレータは出力電圧Voutは下記の値を超えるまではオフ している。
R8 Vout Vref R7 R8 R 7 R8 Vout Vref R8 All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc.
1.RCC(Ringing Choke Converter)について
1.2 定常動作について
出力電圧が上昇して、Voutを超えるとシャント・レギュレータはオン状態 になる。そしてU3のフォトカプラのフォトダイオードに電流を流す。U3の フォトカプラはオンしR5を通してC4を充電する。この電流によって、C4の 電圧はQ2オン電圧となり、Q1はオン状態からオフ状態に移行する。 このようにシャント・レギュレータはQ1のオン、オフ期間を制御し、出力電圧 を一定にする動作をする。
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1.RCC(Ringing Choke Converter)について
1.3 ソフトスタート動作
ソフトスタート機能が無い場合、起動時に2次側コンデンサは充電されていない 状態であるのでQ1のオン幅を最大にして充電しようとするが、これではQ1の コレクタ電流は大きな値になってしまう。 この回路の特徴はC4を順逆充電させ、起動時にQ1のオン幅を制限し、 ソフトスタートさせる事です。起動時にC4の電圧は0(V)から充電されるので、 Q2オン電圧に到達する時間は短くなっています。そして、段々と逆充電が 行われるので、オン電圧到達時間は長くなります。 この動作の事をソフトスタート動作と言います。
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2.回路シミュレーションの等価モデルの考え方 回路シミュレーションの考え方
交流電源整流回路をパルス電源に置き換える。
トランスの表現方法をどうするか。 チョーク・コイルの表現方法をどうするか。 Trbを表現するダイオードモデルを準備しなければならない。 順・逆方向を表現するツェナ－・ダイオードモデルが必要である。 フォトカプラのモデルをどうするか。 シャントレギュレータのモデルをどうするか。 これらをクリアしていき、回路シミュレーションを行っていく。ここでの課題はデバイスモデリングが多い。 All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc.
2.1 パルス電源 入力電源は、交流電源整流回路であるが、ここでは等価的に表現する 事にします。交流電源整流回路をパルス電源に置き換えると下記のように なる。この回路解析シミュレーションでは交流電源整流回路には重きは ないので、等価的に考えても支障はありません。
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2.2 トランスの考え方 トランスには簡易モデルから詳細にモデル化したものまで色々な種類 があります。詳細にモデル化するものは周波数特性を加味し、LCRで 表現します。今回は、トランスのインダクタンスは実測し、トランスの Cp,Rp,Rsを考慮してみます。これらの部品は実際の回路図には無く、 隠された部品です。このように実際の回路に近づけることで解析の精度 が向上します。
L1
L3
L2
Cp=C2 Rp=R2 Rs=R14
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2.2 トランスの考え方
結合係数は、COUPLING=0.999の数値を採用します。理想状態では、 COUPLING=1ですが、現実のトランスではありえません。よって、ここでは COUPLING=0.999とします。
L1 1 2 L2 3 4 L3 5 6 K1 L1 L2 K2 L1 L3 K3 L2 L3
1.6mH 23.5uH 4.7uH 0.999 0.999 0.999
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2.3 チョークコイルの考え方 チョークコイルには簡易モデルから詳細にモデル化したものまで色々な種類 があります。詳細にモデル化するものは周波数特性を加味し、LCRで 表現します。今回は、チョークコイルの直列抵抗を考慮してみます。この直列 抵抗は実際の部品としては存在しませんが、チョークコイルの内部素子として 考慮しなければなりません。
L4 10µH
R11 50mΩ
チョークコイル
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2.4 trbを表現出来るダイオードモデル
この回路方式で考えますと、Q1がオフするとトランスのリーケージ・インダクタンス に蓄積されていたエネルギーが放出され、Q1に過大電圧が印加されるのを防ぐ 為、D4,C1,R1からなる吸収回路が必要になります。 そして、D4ダイオードのtrbが振動電流に影響するので、従来のモデル・パラメータ (=スタンダード・モデル)では問題となります。 よって、ダイオードの逆回復特性であるtrjとtrbを分割して、逆回復特性の波形を 確認しなければなりません。 半導体企業が提供するデータ・シートではtrj値とtrb値の情報が無い為、デバイス の計測が必要となります。 ここではプロフェッショナルモデルを採用致します。
プロフェッショナルモデルとは、逆回復特性(trj,trb)を忠実に再現した等価回路モデルです。 All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc.
2.4 trbを表現出来るダイオードモデル ここでのポイントは、逆回復特性の表現です。通常のダイオード・モデル パラメータでは正確に逆回復特性を表現する事が出来ません。ここでは、 プロフェッショナル・モデルを採用致します。
Simulation
Measurement
プロフェッショナルモデルとは、逆回復特性(trj,trb)を忠実に再現した等価回路モデルです。 All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc.
2.4 trbを表現出来るダイオードモデル 逆回復特性であるtrrはtrjとtrbに分割して考えます。trjとtrbの関係図は下記の 通りです。
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【参考】ダイオードモデルの弱点について ダイオードのパラメータであるTTは、逆回復特性のtrr(trj+trb)のtrjの部分しか 表現出来ません。この弱点を克服する為には、trj+trbを表現する等価回路を作成 する必要があります。
D1
+
等価回路モデル
Trjのみ表現可能である All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc.
2.5 順方向・逆方向を表現出来るツェナ－・ダイオードモデル D3ツェナ－・ダイオードには等価回路モデルにおいて工夫が必要に なります。 C4は充放電を繰り返しながら動作をします。充電時にはD3ツェナ－・ダイオード の逆方向を利用し、放電時にはD3ツェナ－・ダイオードの順方向を利用しており ます。 この時に、順方向及び逆方向を表現出来るモデルを採用しないと、 オン時間及びオフ時間に影響し、正確な回路解析シミュレーションをする事が 出来なくなります。 よって、この回路方式の場合、順方向及び逆方向を表現出来るモデルが 必要不可欠になります。
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2.6 フォトカプラのモデル 等価回路モデルを準備しなければなりません。 *$ *PART NUMBER: PC356NT *MANUFACTURER: SHARP *VCEO=80V, IF=50mA * All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2009 .SUBCKT PC356NT A K E C R_IF1 IFCTR1 0 100MEG E_IF1 IFCTR1 0 VALUE {(-338.41+(-327.57*LOG10(I(Vsense))))*V(N002,0)} R_IF2 IFCTR2 0 100MEG E_IF2 IFCTR2 0 VALUE {(797.07+(201.42*LOG10(I(Vsense))))*V(N003,0)} R_IF IFCTR 0 100MEG E_IF IFCTR 0 VALUE {V(IFCTR1,0)+V(IFCTR2,0)} G1 E N004 VALUE {I(Vsense)*(V(IFCTR,0)/100)/104} V1 N004 B 0V W1 B N005 V1 WMOD1 Vsense N001 K 0V D1 A N001 D_PC356NT Q1 CBE Q_PC356NT RBE N005 E 100K .MODEL WMOD1 ISWITCH (RON=1m ROFF=10MEG ION=0 IOFF=0.1uA) .MODEL D_PC356NT D(IS=548.45E-15 N=2.1265 RS=1.7511 IKF=0 CJO=24.738E-12 + M=.50139 VJ=1.1194 ISR=0 BV=6 IBV=10.00E-6 TT=305.85E-9) .MODEL Q_PC356NT NPN(IS=10.000E-15 VAF=100 NR=.755 VAR=100 RC=5 + CJE=2.0000E-12 CJC=2.0000E-12 TF=45.000E-9 XTF=10 VTF=10 ITF=1 TR=713.00E-9) EK1 N002 0 TABLE {I(Vsense)} (0,0)(6.999m,0)(7m,1) RK1 N002 0 100MEG EK2 N003 0 TABLE {I(Vsense)} (0,1)(6.999m,1)(7m,0) RK2 N003 0 100MEG .ENDS *$
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2.7 シャント・レギュレータのモデル 等価回路モデルを準備しなければなりません。 *$ *PART NUMBER: AN1431T *MANUFACTURER: PANASONIC *VREF=2.5V, IREF=2uA *All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2009 .SUBCKT AN1431T K REF A V1 6 7 DC 1.4V I1 A 4 1mA G1 A 4 VALUE {I(V1)*0.0792E-3} R1 REF A 6.25MEG R2 4 A 2.5K R3 7 5 0.2 D1 K 6 DMOD1 D2 A K DMOD1 D3 A 7 DMOD2 E1 5 A VALUE {1000*(V(4,A)-V(REF,A))} .MODEL DMOD1 D(RS=0.3 ISR=0 TT=0) .MODEL DMOD2 D(RS=1E-6 ISR=0 TT=0) .ENDS *$
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【追記】コンデンサ
コンデンサの表現でESRが回路動作に影響する場合には、ESRの表現 も必要です。部品表には掲載されていないものですが、回路解析 シミュレーションにおいては目に見えない素子の考察も必要になります。 C5のESR⇒R13 C6のESR⇒R12 C7のESR⇒R10
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3. 回路解析シミュレーション RCC(Ringing Choke Converter) D2
2 R1 47kΩ
13
C1 47nF
D1FS4
L1
6
D4 1SR154-600_s
1
4
2 5
3
L2
L3
C2 28pF
R2 30kΩ
6
Q2SC3153
C3 7
47nF
R4
8
R5
11
R12 100mΩ
15
16
18
50mΩ
C6 2.2mF
R7 5.7kΩ
R10 150mΩ
21
22
R8 1.5kΩ
RL 12Ω
C7 1mF
22Ω
R9 220Ω
12
22Ω
D1 0 V 120 V 200msec 500msec
R11
R3 330kΩ Q1
V1
R13 100mΩ
C5 2.2mF
R14 1Ω
R15 1µΩ
5
17
T1
4
1
10µH
U1
3
R16 200mΩ
L4
14
19
1SR154-600_s
9 R6
Q2 Q2SD596
C4 510Ω 47nF
10
D3
20 U3 PC356NT
U2 AN1431T
MTZJ3BS
Simulation Settings Analysis type: Time Domain(Transient) Run to time=50m(sec) Step Size=0.01u(sec)
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3. 回路解析シミュレーション 部品表
Part reference
Part type
Part number/Value
Manufacturer
D1
Diode
1SR154-600
ROHM
D3
Zener Diode
MTZJ3BS
LRC
U2
Shunt Regulator
AN1431T
Panasonic
U3
Photocoupler
PC356NT
SHARP
Q1
BJT Transistor
2SC3153
SANYO
Q2
BJT Transistor
2SD596
NEC
D4
Diode
1SR154-600
ROHM
D2
Schottky Diode
D1FS4
SHINDENGEN
R1
Resistor
4.7Kohm
R3
Resistor
330Kohm
R4,R5
Resistor
22ohm
R6
Resistor
510ohm
R7
Resistor
5.7Kohm
R8
Resistor
1.5Kohm
R9
Resistor
220ohm
C1,C3,C4
Capacitor
0.047uF
C5,C6
Capacitor
2200uF
C7
Capacitor
1000uF
L1
Transformer/ Subcircuit(T1)
1.6mH
L2
Transformer/ Subcircuit(T1)
23.5uH
L3
Transformer/ Subcircuit(T1)
4.7uH
L4
Choke Coil
10uH
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3.1 出力電圧
D2
2 R1 47kΩ
13
C1 47nF
D1FS4
L1
6
D4 1SR154-600_s
1
4
2 5
3
L2
L3
C2 28pF
R2 30kΩ
6
Q2SC3153
C3 7 47nF
R4
8
R5
11
R12 100mΩ
15
16
18
50mΩ
C6 2.2mF
R7 5.7kΩ
R10 150mΩ
21
22
R8 1.5kΩ
RL 12Ω
C7 1mF
22Ω
R9 220Ω
12
22Ω
D1 0 V 120 V 200msec 500msec
R11
R3 330kΩ Q1
V1
R13 100mΩ
C5 2.2mF
R14 1Ω
R15 1µΩ
5
17
T1
4
1
10µH
U1
3
R16 200mΩ
L4
14
19
1SR154-600_s
9 R6
Q2 Q2SD596
C4 510Ω 47nF
10
D3
20 U3 PC356NT
U2 AN1431T
MTZJ3BS
Voltage/Level Markerで出力電圧を確認します。 All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc.
3.1 出力電圧
25m
11.9711V
出力電圧が目的の12(V)である事を確認します。また、シミュレーション結果 より、25m(sec)以降に出力電圧が安定している事が確認出来ます。 0.998A All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc.
3.2 出力電流
0.998A
出力電流が目的の1(A)である事を確認します。また、シミュレーション結果 より、25m(sec)付近以降に出力電流が安定している事が確認出来ます。 All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc.
3.3 Q1の波形
V(Q1:C)
I(Q1:C)
0～50m(sec)のVceとIcの波形です。 V(Q1:C)
All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc.
3.3 Q1の波形
V(Q1:C)
I(Q1:C)
0～900u(sec)のVceとIcの波形です。入力電圧が入り、スイッチが入った 直近の回路動作です。 All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc.
3.3 Q1の波形
V(Q1:C)
I(Q1:C)
24.76m～25.01m(sec)のVceとIcの波形です。この付近で出力電圧が安定 します。 All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc.
3.3 Q1の波形
V(Q1:C)
I(Q1:C)
49.93m～50m(sec)のVceとIcの波形です。出力電圧が安定時の波形です。 All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc.
3.4 Q1,Q2,C4の波形
V(C4)
I(Q2:C)
V(Q2:C)
V(Q1:C)
I(Q1:C)
0～50m(sec)のC4電圧、Q2のVceとIc及びQ1のVceとIcの波形です。 All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc.
3.4 Q1,Q2,C4の波形 V(C4)
I(Q2:C) V(Q2:C)
V(Q1:C)
I(Q1:C)
8.9m～9.4m(sec)のC4電圧、Q2のVceとIc及びQ1のVceとIcの波形です。 Q1とQ2が関連した回路動作が確認出来ます。 All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc.
3.4 Q1,Q2,C4の波形 V(C4)
I(Q2:C)
V(Q2:C)
V(Q1:C)
I(Q1:C)
49.91m～49.94m(sec)のC4電圧、Q2のVceとIc及びQ1のVceとIcの波形です。 この領域は出力電圧が安定しています。 All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc.
3.5 D2,Q1の波形
V(D2:1)
I(D2)
V(Q1:C)
I(Q1:C)
0～50m(sec)のD2の電圧及び電流、Q1のVceとIcの波形です。 All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc.
3.5 D2,Q1の波形 I(D2)
V(D2:1)
V(Q1:C)
I(Q1:C)
起動時の6.24m～6.4m(sec)のD2の電圧及び電流、Q1のVceとIcの波形です。 All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc.
3.5 D2,Q1の波形
I(D2)
V(D2:1)
V(Q1:C)
I(Q1:C)
出力電圧が安定した時(40.8124m～40.8319m(sec))のD2の電圧及び電流、 Q1のVceとIcの波形です。 All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc.
3.6 シャント・レギュレータの電圧波形
11.9711V
シャント・レギュレータ
13.7114V
Cathode Voltage
2.4925V
Reference Voltage
出力電圧とシャント・レギュレータの回路動作の関連性が確認出来ます。 All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc.
3.7 トランスの波形
L1,L2
V(RL)
V(U1:1)
V(U1:4)
All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc.
3.7 トランスの波形
L1,L2 V(RL)
トランス電圧波形
L1 Voltage
L2 Voltage
起動時の2.5m～3.1m(sec)のそれぞれの波形です。 V(RL) All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc.
3.7 トランスの波形
L1,L2 V(RL)
トランス電圧波形
L1 Voltage
L2 Voltage
出力電圧が安定する時(24.4m～25.4m(sec))のそれぞれの波形です。 All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc.
3.7 トランスの波形
L1,L2 V(RL)
トランス電圧波形
L1 Voltage
L2 Voltage
出力電圧が安定した時(49.5m～49.8m(sec))のそれぞれの波形です。 All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc.
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