Introduzione

Simulazione con PSpice: un esempio di progetto completo con modellizzazione personalizzata di componenti

Molto spesso la simulazione è considerata un'attività poco utile e time consuming, poiché è difficile realizzare un elaborato completo e comprendere in anticipo il comportamento di un particolare stadio durante la progettazione. A volte vengono simulate solo poche parti di un circuito, con presupposti che spesso implicano un ulteriore lasso di tempo per validare definitivamente il progetto. A volte, il tempo necessario per completare una simulazione è il principale ostacolo per avviare un progetto da questa fase. In questi articoli verrà trattato un progetto completo partendo da zero, introducendo la maggior parte delle caratteristiche dello strumento di simulazione e alcuni suggerimenti utili per ridurre il tempo di esecuzione della simulazione stessa. Il progetto finale al quale si giungerà sarà un alimentatore switching.

Nella simulazione logico / analogica, un principio fondamentale risulta particolarmente utile: semplificare quanto più possibile lo schema usato nella simulazione, pur rispettando un necessario livello di confidenza con la realtà. Il ruolo chiave di questa affermazione è rappresentato dalla corretta modellizzazione di ogni stadio che sarà necessario introdurre durante lo sviluppo del lavoro. Lo strumento che abbiamo a disposizione ci offre una particolare modalità di modellizzazione, nota come ABM, ovvero Analog Behavioral Modeling.

In un qualunque alimentatore possono essere riconosciute tre differenti macro-sezioni, ciascuna con particolari caratteristiche: • una sezione di potenza, per il trasferimento di energia dall’ingresso all’uscita • una sezione digitale, per le transizioni di stato durante la conversione dell’energia • una sezione analogica, per la regolazione della tensione / corrente di uscita, secondo determinate specifiche.

A sua volta, ognuna di queste macro-sezioni potrà essere costituita da diversi stadi / componenti che andranno modellizzati secondo il fine anticipato sopra.

L’analisi verrà sviluppata attraverso articoli diversi, utilizzati per comprendere e analizzare il comportamento di ogni singolo stadio.

1 | Sezione di ingresso

Nello stadio di ingresso di qualunque alimentatore collegato alla rete elettrica si trova un raddrizzatore: nell’esempio qui trattato, prevediamo di avere solamente un ponte raddrizzatore e una capacità sulla quale si svilupperà la tensione di ingresso dell’alimentatore. Le condizioni operative del medesimo devono essere rispettose delle normative applicabili, per cui imposteremo il lavoro in modo da parametrizzare tutte le variabili coinvolte dalle stesse normative. Potremo così lanciare una sessione di simulazione parametrica, utile a comprendere il funzionamento dello stadio o del circuito in vari punti delle condizioni di ingresso.

PSpice mette a disposizione una particolare modalità di modellizzazione – detta ABM, ovvero Analog Behavioral Modelling – della quale faremo ampio uso per semplificare la simulazione dei nostri circuiti.

Nel caso in esempio, rappresentato dallo schema sottostante, abbiamo un ponte che raddrizza la corrente in ingresso e che carica un condensatore (bulk capacitor).

Al fine della simulazione dell’alimentatore, è di poco o nullo interesse la simulazione del ponte, in quanto questo componente semplicemente realizza sul condensatore di banco il modulo della corrente di ingresso, mentre è molto utile poter variare la tensione di alimentazione da rete, in modo da poter verificare il comportamento dell’alimentatore anche con diversi suoi valori (cosa per altro riscontrabile di fatto in giro per il mondo). Alla luce di ciò, possiamo dunque modellizzare la rete in ingresso come: • un generatore sinusoidale (V1 nello schema sottostante) • tensione = √2 V • frequenza parametrica (50 o 60Hz)

Modello ABM

PSpice è dotato di un’applicazione denominata Stimulus Editor con la quale è possibile definire stimoli personalizzati da poter riutilizzare per i

nostri circuiti. Ogni stimolo generato tramite il wizard (per esempio uno stimolo sinusoidale) viene salvato in formato testuale con estensione *.stl per consentire ulteriori rielaborazioni come nell’esempio. Tramite un editor testuale possiamo quindi aprile il file *.stl e modificare l’intera stringa originale che comincia con.STIMULUS con

.STIMULUS AC SIN ( 0 {sqrt(2)} {FLine} 0 0 0 )

Rammentiamo che la sequenza dei parametri nella precedente stringa corrisponde esattamente ai medesimi che sono disponibili nel wizard.

Lo stimolo, così modificato, al nodo AC genererà una sinusoide, di ampiezza √2 e frequenza dettata dal parametro globale “Fline” (che andrà inserito nello schema elettrico di riferimento, piazzando il componente speciale “PARAMS” e aggiungendogli detto parametro).

Per ottenere la funzione “variac” della tensione di rete, si fa seguire al generatore V1 un generatore di tensione comandato in tensione (EAC), al quale è demandato il compito di realizzare il modulo della tensione in ingresso (modellizzando così il ponte raddrizzatore) e amplificare il suo valore attraverso un altro parametro globale che è indicato con KAC: al nodo ACREC avremo quindi una pulsante sinusoidale alla frequenza doppia di “Fline”. Calcolare le correnti di nodo coinvolte e le potenze dissipate è molto importante. Suggeriamo pertanto di introdurre componenti opportuni (in questo caso resistenze) di valore arbitrariamente conveniente. Nell’ esempio, RV1 ed R1 sono componenti inseriti al solo fine di consentire la simulazione e di fatto nel circuito reale non saranno presenti.

Come per tutti i generatori disponibili in PSpice, EAC è per definizione un generatore

“ideale”:

la sua tensione di uscita è determinata dalla funzione che viene programmata (attraverso la proprietà “PSPiceTemplate” che andrà opportunamente editata, vedi sotto), indipendentemente dalla corrente erogata. Occorre dunque disaccoppiare l’uscita di EAC da C1: per questo, si introduce un diodo raddrizzatore D2 al quale segue R2 che rappresenta la resistenza dei collegamenti tra l’ingresso rete e C1.

La proprietà “PSPiceTemplate” di EAC verrà quindi modificata come segue: • EAC PSPice template: E^@REFDES %3 %4 value={abs(v(%1,%2))* @GAIN} dove l’uscita sui pin 3 e 4 è calcolata come il modulo della tensione di ingresso - abs(v(%1,%2)) -, moltiplicata per il guadagno - @GAIN - (che simula un variac).

Modello ABM

A questo punto, lo stadio raddrizzatore è completato e ai capi del condensatore di banco C1 avremo la tensione di alimentazione dalla quale ottenere l’energia per il funzionamento dell’alimentatore.

L’introduzione di resistenze di connessione spesso è utile anche per facilitare la convergenza dell’integrazione interna a PSpice. Queste non saranno quindi presenti nel circuito reale, pur rappresentando un “trucco” utile per completare la simulazione; il loro valore deve essere scelto mantenendo un livello elevatissimo di confidenza tra il modello e la realtà del circuito.

È importante ricordare che negli stadi di ingresso degli alimentatori è sempre presente anche un “filtro di linea”, ad una o più celle, utilizzato per abbattere il rumore condotto che l’alimentatore rimette in rete: benché in questo semplice esempio non ci sia alcun filtro, la sua introduzione è estremamente semplice anche per un’analisi AC, molto utile nel caso di necessità successive di compliance alle normative vigenti. L’esercizio in questo caso è lasciato al lettore per prendere confidenza con il tool.