Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version

Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version Tài liệu lưu hành nội bộ Hướng dẫn sử dụng phần mềm PSpice ứng dụng trong phân tích và giải các mạch điện Trong báo cáo này tôi trình bày việc ứng dụng phần mềm PSpice trong phân tích và giải mạch điện. Nội dung của báo cáo gồm hai chương: Chương 1 đề cập đến lịch sử phát triển, các tính năng chính của phần mềm Spice, PSpice và OrCAD; Chương 2 mô tả quy trình thực hiện một số phân tích cơ bản như phân tích một chiều, xoay chiều, quá độ, hồi đáp tần số và thời gian và các bước để thực hiện một số ví dụ đơn giản. Vũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version MỤC LỤC Chương 1 TỔNG QUAN VỀ SPICE, PSPICE VÀ ORCAD .........................................1 1.1. Tổng quan về OrCAD..............................................................................................1 1.1.1. Capture ............................................................................................................1 1.1.2. Layout ..............................................................................................................2 1.2. Tổng quan về Spice và PSpice ................................................................................3 1.2.1. Lịch sử ra đời ..................................................................................................3 1.2.2. Các phiên bản và tính năng của PSpice A/D................................................4 1.2.3. Thư viện mô hình............................................................................................5 1.2.4. Các bước tiến hành mô phỏng và phân tích mạch điện ..............................6 1.2.5. Chương trình mô phỏng mạch điện bằng PSPICE .....................................7 Chương 2 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PSPICE CỦA OrCAD 10.0...............................9 2.1. Các bước tiến hành .................................................................................................9 2.2. Thực hiện một số phân tích cơ bản ......................................................................17 2.2. 1. Phân tích quá trình quá độ .........................................................................17 2.2.2. Phân tích quá trình quét của nguồn AC.....................................................20 2.2.3. Mô phỏng quá trình làm việc của máy biến áp..........................................22 2.2.4. Mạch chỉnh lưu và quá trình quét tham số ................................................23 Tài liệu tham khảo ...........................................................................................................27 Vũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version Chương 1 TỔNG QUAN VỀ SPICE, PSPICE VÀ ORCAD 1.1. Tổng quan về OrCAD OrCAD là một bộ công cụ dùng cho quá trình thiết kế mạch điện tử. Bộ phần mềm này được phát triển và cung cấp bởi tập đoàn Cadence. Phiên bản hiện tại của OrCAD là 10.0. Đây là một bộ công cụ gồm nhiều phần mềm khác nhau phục vụ cho việc thiết kế mạch nguyên lý, xuất mạch in, mô phỏng, phân tích mạch điện. Các công cụ chính của OrCAD là Capture, Layout, PSPICE, bên cạnh đó còn một số phần mềm hỗ trợ quá trình phân tích, tối ưu hoá mạch điện cũng như quản lý các tệp tin của dự án... 1.1.1. Capture Là công cụ dùng để xây dựng các sơ đồ mạch trong quá trình thiết kế. Sơ đồ mạch nguyên lý là sơ đồ mà trong đó các phần tử của mạch điện được thể hiện dưới dạng các ký hiệu của chúng và được kết nối với nhau theo một quy tắc nhất định nhằm đảm bảo hoạt động của mạch điện đúng như mong đợi. Hình 1: Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi DC sang AC công suất 300mA Với công cụ này chúng ta có thể xây dựng các sơ đồ nguyên lý của mạch điện tử dựa trên một thư viện về các phần tử hết sức phong phú và đa dạng, bên cạnh đó nó còn cho phép người dùng tạo ra các thư viện của riêng mình và thêm vào cơ sở dữ liệu của chương trình. Việc xây dựng sơ đồ nguyên lý là một việc làm hết sức cần thiết trong quá trình thiết kế một mạch điện tử. Dựa trên sơ đồ nguyên lý người ta có thể kiểm tra lại tính chính xác của mạch điện cũng như dự đoán được khả năng làm việc của thiết bị thực. Đây cũng là giai đoạn ban đầu Vũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN 1 Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version nhằm cung cấp mạch đầu vào cho quá trình phân tích các đặc tính của mạch điện sử dụng PSPICE, cũng như là nguồn để tạo ra phần phôi của mạch in, từ đó cung cấp các dữ liệu cho quá trình sản xuất mạch in. 1.1.2. Layout Công cụ này dùng để sắp xếp các phần tử thực của mạch điện trên một bảng mạch. Bảng mạch in (Printed Circuit Board – PCB) được dùng để hỗ trợ việc kết nối các thành phần của bảng điện tử, trên đó đường nối giữa các phần từ được tạo ra bằng các cho axit ăn mòn lớp đồng nằm trên các phiến không dẫn điện. Các phần tử được định vị trên bảng mạch nhờ các lỗ cắm. Với công cụ này chúng ta có thể sắp xếp các phần tử thực của mạch điện một cách hợp lý và khoa học. Đầu ra của công cụ này là một bảng mạch in trên đó có các dấu của đường dẫn cũng như vị trí của các lỗ cắm linh kiện, từ đó nhà sản xuất có thể sử dụng các máy điều khiển số để khoan lỗ cũng như cho ăn mòn các tấm bakelet đồng để tạo đường dẫn của mạch điện. Với OrCAD chúng ta có thể kết nối với các máy sản xuất số tạo nên dây chuyền sản xuất sản phẩm từ quá trình thiết kế mạch nguyên lý cho đến sản phẩm thực. Hình 2: Bảng mạch in của bảng ma trận điện tử Vũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN 2 Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version 1.2. Tổng quan về Spice và PSpice 1.2.1. Lịch sử ra đời Kỹ thuật điện là ngành khoa học nghiên cứu về những ứng dụng của các hiện tượng điện, từ nhằm biến đổi năng lượng và tín hiệu, bao gồm việc phát, truyền tải, phân phối và sử dụng điện năng trong sản xuất và đời sống. Kỹ thuật điện tử là ngành khoa học nghiên cứu về những ứng dụng của các tín hiệu điện tử bao gồm việc thu thập, gia công, xử lý, truyền tải tín hiệu. Để thuận tiện cho việc tính toán, thiết kế các thiết bị điện từ, người ta thường thay thế các mạch điện thực tế bằng các mô hình thay thế và các sơ đồ mạch điện tương đương. Việc phân tích các mạch điện nhằm dự đoán và kiểm tra khả năng làm việc của các thiết bị điện từ hoặc nhằm đưa ra các sản phẩm phù hợp với yêu cầu đặt ra. Phương pháp thực tế để kiểm tra một mạch điện là xây dựng chúng. Tuy nhiên, từ những năm 1970, khi mà các thành phần của một mạch tích hợp hợp có kích thước ngày càng nhỏ bé thì việc xây dựng các vi mạch này trở nên rất khó khăn. Bên cạnh đó, những tác động vật lý - âm thanh, ánh sáng... không ảnh hưởng đến những mạch điện thông thường nhưng lại gây nhiễu rất lớn đối với các vi mạch. Vì vậy việc lắp ráp các vi mạch từ các thành phần thực trong phòng thí nghiệm đòi hỏi nhiều thời gian, công sức và tiền bạc. Sự phát triển của công nghệ thông tin cho phép xây dựng các phần mềm mô phỏng và phân tích quá trình làm việc của mạch điện tử. Khi đó ta có thể xây dựng, thử nghiệm, khảo sát hoạt động của mạch ứng với các trường hợp cũng như thay đổi các thông số kỹ thuật và khảo sát ảnh hưởng của chúng đến quá trình làm việc của toàn mạch. Do đó tăng tính mềm dẻo và khả năng khảo sát nhiều trường hợp, tình huống khác nhau Vấn đề khó khăn khi sử dụng các phần mềm đó là tính chính xác của các mô hình. Nếu các mô hình không có các đặc tính giống như các phần tử thực thì việc mô phỏng là vô nghĩa. Spice (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) là một chương trình tính toán được phát triển từ những năm 1970 tại đại học California ở Berkeley, chương trình này được sử dụng để mô phỏng và mô hình hoá các mạch điện tử tương tự. PSpice (Power Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) được phát triển bởi hãng MicroSim, là một trong những phiên bản thương mại Vũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN 3 Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version được phát triển từ Spice và trở thành một phần mềm mô phỏng mạch điện phổ biến trên thế giới. PSpice có cùng các giải thuật và cấu trúc như Spice. Nó cho phép chúng ta mô phỏng các thiết kế trước khi bắt tay vào xây dựng phần cứng. Các chương trình mô phỏng cho phép chúng ta quan sát ứng xử của mạch điện cũng như những thay đổi của chúng khi ta thay đổi các tín hiệu đầu vào hoặc giá trị của các thành phần trong mạch điện. Do đó có thể kiểm tra lại các thiết kế được coi là đã hoàn thành để xem chúng có chạy đúng trong thực tế hay không. PSpice chỉ mô phỏng và tiến hành các phép đo kiểm tra chứ không phải là phần thiết kế các mạch điện. 1.2.2. Các phiên bản và tính năng của PSpice A/D PSpice được đưa ra thị trường với nhiều phiên bản khác nhau: PSpice A/D, PSpice A/D basics và PSpice. Mỗi phiên bản cung cấp các tính năng khác nhau tuỳ thuộc vào giá thành và yêu cầu của khách hàng. Trong chuyên đề này, tôi tập trung vào phần mềm PSpice A/D đi kèm trong bộ phần mềm OrCAD của hãng Cadence. PSpice A/D là chương trình dùng để mô phỏng các mạch điện tương tự và số. Các tính năng chính của PSpice A/D là: • Phân tích xoay chiều, một chiều, quá độ. Tính năng này cho phép chúng ta kiểm tra các đáp ứng của mạch điện khi được cung cấp các đầu vào khác nhau. Cụ thể: o Phân tích một chiều (DC analysis) hay còn được gọi là phân tích tĩnh. Tính năng này cho phép xác định điện áp dịch mức và trị số dòng điện cho tất cả các nút của mạch bằng cách quét toàn bộ giá trị của điện áp trong một khoảng do người dùng định nghĩa. Điều này rất có ý nghĩa khi muốn xác định đường đặc tính của các mạch điện có chứa các phần tử phi tuyến (như diode, transistor...) hoặc muốn xác định điện thế dịch mức của các mạch khuếch đại. o Phân tích quá độ (Transient Analysis). Mục tiêu của phân tích quá độ (phân tích miền thời gian) là nhằm dự đoán các ứng xử của mạch điện khi có các sự kiện quá độ xảy ra. o Phân tích xoay chiều (AC Analysis). Với phương thức phân tích này ta có thể mô phỏng hồi đáp tần số của mạch điện, tức là ta có thể quan sát được ứng xử của mạch điện khi tần số của nguồn điện thay Vũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN 4 Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version đổi trong một dãy cho trước. Dựa vào đó ta có thể tìm thấy tần số cộng hưởng của mạch. • Phân tích tham số, độ nhạy, giá trị tới hạn. Với những tính năng này chúng ta có thể quan sát những ứng xử của mạch điện khi thay đổi giá trị của các thành phần của nó. • Phân tích thời gian của các mạch số cho phép tìm ra sự cố về thời gian xuất hiện khi kết nối các tín hiệu tần số cao với các tín hiệu có tần số thấp trong quá trình truyền dẫn tín hiệu. 1.2.3. Thư viện mô hình PSpice A/D có thư viện mô hình của hơn 15,000 thiết bị tương tự và 1,600 thiết bị số của các nhà sản xuất linh kiện ở Bắc Mỹ, Nhật Bản và Châu Âu. Nội dung của các thư viện này là các mô hình số hoá với các tham số mà ta có thể can thiệp và thay đổi cho từng thiết bị cụ thể. Đây là một tính năng hết sức quan trọng, nó cho phép chúng ta có thể xây dựng những mô hình phù hợp với yêu cầu thiết kế, điều này cho phép chương trình mô phỏng gần sát với thực tế hơn cũng như cung cấp cho các nhà thiết kế một công cụ hữu ích trong quá trình xây dựng và phát triển sản phẩm mới. PSpice A/D cũng cung cấp các mô hình hoá về các ứng xử của các thiết bị tương tự và số, vì vậy chúng ta có thể mô tả các hàm chức năng của mạch điện sử dụng các biểu thức và hàm toán học. Do đó ta có thể xây dựng và phân tích các đặc tính phức tạp của thiết bị thông qua mô hình toán học. Tuy nhiên không phải tất cả các phần tử đều có sẵn, nhất là các linh kiện, phần tử bán dẫn công suất lớn hay các phần tử kiểu mới. Vì vậy khi cần ta phải xây dựng các mô hình riêng và thiết lập thư viện riêng cho mục đích của mình. Các mô hình hoá được xây dựng trong PSpice A/D không chỉ là các điện trở, điện cảm, điện dung mà còn có các mô hình sau: ƒ Mô hình dây dẫn, bao gồm độ trễ, độ dội, tổn hao, tán xạ và tạp âm. ƒ Mô hình của cuộn dây từ phi tuyến, bao gồm độ bão hoà và từ trễ ƒ Sáu mô hình của transistor trường MOSFET ƒ Mô hình của Transistor trường có cực điều khiển cách ly IGBT MOFET ƒ Mô hình của các thành phần số với vào ra tương tự. Vũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN 5 Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version Phiên bản gốc của PSpice chạy trong môi trường DOS, phiên bản hiện tại của hãng MicroSim là phiên bản 10.0 cho phép chạy trên các hệ điều hành Window và Linux. Đầu vào của chương trình mô phỏng là cách tệp tin dạng chữ có phần mở rộng là “.cir”. Đầu ra của chương trình có thể là tệp tin dạng chữ có cùng tên với tệp đầu vào nhưng có phần mở rộng là “.out”. Kết quả tính toán được đưa vào tệp tin cùng tên với phần mở rộng là “.dat”. Chúng ta chỉ phải đặt tên cho tệp tin đầu vào, các tệp tin đầu ra và tệp tin kết quả được đặt tên tự động trùng với tên của tệp đầu vào. Cũng giống như các ngôn ngữ lập trình khác, tệp tin “*.cir” phải tuân theo một số thủ tục nhất định như: dòng đầu tiên là tên chương trình, kết thúc chương trình phải là “.END”, phải có các lệnh về phân tích mạch v.v. Trước khi chạy chương trình, tệp tin “*.cir” sẽ được kiểm tra lỗi và đưa ra thông báo ở tệp tin “*.out”. Cấu trúc chương trình sẽ sáng sủa hơn nếu như mô hình phần tử mới được thiết lập dưới dạng các mạch con (subcircuit) và cất sẵn trong thư viện, khi sử dụng, chương trình chỉ cần gọi tên các mạch con là đủ. Điều này rất thuận lợi khi mạch khảo sát có sử dụng nhiều các nhóm phần tử giống nhau. Các phân tích chính được đề cập đến trong SPICE là đặc tuyến truyền đạt, đáp ứng tần số, điểm làm việc một chiều, đặc tính động (thời gian). Trong mô phỏng và phân tích mạch điện tử công suất thì quan trọng nhất là phân tích quá trình quá độ (transient analysis). Chế độ phân tích này thường tiêu tốn nhiều thời gian của máy tính vì chương trình sẽ phải tính điện áp của tất cả các nút của mạch khảo sát trong từng bước tính và lưu giữ số liệu này vào một tệp tin riêng (tệp *.dat). Khi mạch phức tạp hoặc thời gian khảo sát lớn, dung lượng của tệp dữ liệu này có thể lên đến hàng trăm MB. 1.2.4. Các bước tiến hành mô phỏng và phân tích mạch điện Để khảo sát một mạch điện nói chung cũng như một mạch điện tử công suất nói riêng ta cần phải tiến hành theo các bước sau đây: 1. Xác định mô hình các phần tử cần thiết để xây dựng mạch điện. Đa số các phần tử này đều có trong thư viện mô hình của chương trình, tuy nhiên trong một số trường hợp ta phải xây dựng mới. Việc xây dựng một mô hình mới là hết sức quan trọng và đòi hỏi am hiểu sâu sắc về kỹ thuật điện - điện tử bởi vì mô hình phải phản ánh đúng đặc điểm và tính chất vật lý của thiết bị thực. Mô hình càng gần với Vũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN 6 Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version thực tế thì kết quả phân tích càng đáng tin cậy. Mặc dù vậy, trong một số trường hợp, khi khảo sát một số đặc tính nào đó thì chỉ cần mô hình hoá các tham số, thông số liên quan đến đặc tính đó, tránh gây ra những phức tạp không cần thiết. 2. Thiết lập sơ đồ nguyên lý của mạch cần nghiên cứu. Cần phải đảm bảo chắc chắn rằng sơ đồ nguyên lý được xây dựng là đúng đắn. 3. Chuyển đổi từ sơ đồ nguyên lý sang chương trình mô hình hoá theo ngôn ngữ chuyên dụng của phần mềm (Đối với phiên bản hiện tại của PSPICE thì việc này được thực hiện tự động). 4. Thiết lập các thông số của sơ đồ và các tham số khảo sát. 5. Tiến hành khảo sát, thường chia làm hai giai đoạn: a) Chạy thử chương trình với chế độ quen thuộc mà kết quả đã biết trước để kiểm tra độ chính xác của mô hình. b) Khi mô hình đạt độ tin cậy cần thiết, tiến hành nghiên cứu với các chế độ cần khảo sát theo yêu cầu đặt ra. 1.2.5. Chương trình mô phỏng mạch điện bằng PSPICE a) Tệp đầu vào Một tệp đầu vào (*.cir) gồm bốn phần sau: 1. Tiêu đề của chương trình mô phỏng: Thông thường đây là tên của mạch điện cần khảo sát do người soạn thảo đặt ra. Tiêu đề không bắt buộc phải có, vì PSPICE khi chạy sẽ chỉ bắt đầu từ dòng thứ hai. 2. Phần mô tả mạch điện và tham số các linh kiện có trong mạch. Ở phần này ta thực hiện cho từng phần tử theo sơ đồ nguyên lý của mạch cần khảo sát tương tự như ta hàn chúng lại với nhau trong mạch thực. Mỗi dòng của chương trình dành cho một phần tử và phải tuân theo thủ tục khai báo, đúng cú pháp của PSPICE, gồm ba phần: Tên và nhãn của phần tử: Bảng 1 là quy định về ký hiệu tên của các phần tử. Sau chữ cái này là chỉ số linh kiện (có thể là chữ hay số), tối đa là bảy ký tự. Các chữ cái có thể viết hoa hay thường, giữa các khai báo được phân tách nhau bởi dấu cách. Các điểm nối của phần tử được gọi là nút để nối mạch. Các nút được đánh dấu bằng các số nguyên dương, trong đó bắt buộc phải có nút số 0 và luôn được hiểu là điểm đất (Ground). Điểm 0 này rất quan trọng vì khi chạt trương trình máy sẽ tính toán điện áp giữa mỗi nút trong mạch điện với điểm đất này trong từng bước tính. Vũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN 7 Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version Giá trị của phần tử: Có thể là số, là một tham số hay một hàm phụ thuộc (biểu thức). Nếu dòng lệnh dài hơn một dòng soạn thảo thì đầu dòng kế tiếp phải dùng dấu “+” để thông báo Bảng 1: Tên gọi và ký hiệu của các phần tử K.H Tên gọi K.H Tên gọi B GsAs MOSFET J JFET C Tụ điện L Điện cảm D Diode M MOSFET E Nguồn áp điều khiển bằng điện áp Q Transistor lưỡng cực F Nguồn dòng điều khiển bằng dòng điện R Điện trở G Nguồn dòng điều khiển bằng điện áp S Khoá điều khiển bằng điện áp H Nguồn áp điều khiển bằng dòng điện V Nguồn điện áp độc lập I Nguồn dòng độc lập X Mạch con K Hỗ cảm W Khoá điều khiển bằng dòng điện 3. Các lệnh để chương trình tiến hành khảo sát theo yêu cầu. Đây cũng là phần bắt buộc phải có vì nó là mục đích của việc mô phỏng. Không thể dựng mô hình mạch mà không tiến hành khảo sát. Các lệnh điều khiển dùng để chỉ ra loại phân tích (phân tích một chiều, xoay chiều, phân tích động, đáp ứng tần số...) 4. Các lệnh cho đầu ra như vẽ đồ thị, lập bảng các sóng điều hoà theo khai triển Fourier, tính số điểm nút của mạch... 5. Lệnh kết thúc chương trình (.END): Một chương trình bắt buộc phải kết thúc bằng lệnh này. Trong khi viết chương trình có thể đưa thêm vào các chú thích để dễ theo dõi và kiểm tra. Các dòng chú thích phải tuân theo quy tắc sau: - Nếu chú thích trong cùng một dòng lệnh thì dùng dấu “;” gặp dấu này chương trình sẽ bỏ qua và chuyển xuống dòng lệnh tiếp theo - Nếu cả dòng lệnh là chú thích thì dùng dấu “*” để đánh dấu. Có thể có nhiều dòng chú thích. b) Tệp đầu ra Khi chạy mô phỏng, chương trình PSPICE sẽ duyệt tệp tin đầu vào và tạo ra một tệp tin đầu ra có cùng tên với phần mở rộng là “.out”. Nếu tệp đầu vào không có lỗi thì chương trình mô phỏng được thực hiện ngay và dữ liệu kết quả được đưa vào tệp tin cùng tên với phần mở rộng là “.dat”. Ngược lại, nếu có lỗi thì chúng sẽ được thông báo cụ thể ở tệp này. Trong tệp này còn có một số thông số khác như tổng công suất trên toàn mạch, thời gian cần thiết để mô phỏng (tính bằng giây). Vũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN 8 Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version Chương 2 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PSPICE CỦA OrCAD 10.0 2.1. Các bước tiến hành Trước khi mô phỏng một mạch điện ta phải thiết lập các cấu hình cho mạch điện đó. Có nhiều cách khác nhau để thực hiện điều này. Cách thứ nhất là nhập các mô tả về mạch điện vào một tệp tin đầu vào theo cấu trúc như đã trình bày ở trên. Việc mô tả mạch điện trong một tệp tin như trên có ưu điểm là giúp chúng ta nắm rõ hơn về cấu trúc mạch, cấu trúc của chương trình mô phỏng, các câu lệnh... Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là người dùng phải nhớ rất nhiều cấu trúc lệnh khác nhau