home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Libris Britannia 4 / science library(b).zip / science library(b) / ELECTRON / 3645.ZIP / README.DOC < prev    next >
Text File  |  1990-04-02  |  20KB  |  459 lines

  1.  
  2.  
  3.  
  4.  
  5.  
  6.  
  7.               Supplemental Information (README.DOC file)
  8.  
  9.  
  10.      The "Switchers Made Simple" program is an expert system that
  11.      automates the design of Simple Switcher (TM) based basic switching
  12.      regulators.  The following topologies can be designed with the
  13.      present version: buck and buckboost (invert) regulators with the
  14.      LM2575 family, and boost and multiple-output flyback regulators
  15.      with the LM2577 family.
  16.  
  17.      The first module of the program lets you input the specification
  18.      of the converter you wish to design.  It is done via a menu, with
  19.      editing capability.  The feasibility of the specification is
  20.      checked and provision is made for editing input parameters should
  21.      the program alert the user to an unsuitable parameter set.
  22.  
  23.      The second module calculates the limit values of the external
  24.      components of the circuit based on the specification and loop
  25.      stability requirements.  The stability analysis calculation is
  26.      based on the state-space-averaged model introduced by
  27.      Dr. Middlebrook.
  28.  
  29.      Next, the program chooses the actual components, according to the
  30.      calculated limits, from a built in data-base of standard
  31.      components.  There are three manufacturers providing standard
  32.      inductors and tranformers for the Simple Switcher (TM) product family:
  33.      AIE, Pulse Engineering and Renco.  The capacitor data-base is built up
  34.      using the Sprague, Nichikon, Cornell Dubilier and Panasonic lines.
  35.  
  36.      You can override (i.e. edit) most component values of the list.
  37.      Some values can not be edited: e.g. the ESR of the capacitors,
  38.      R1, the upper resistor in the voltage divider when adjustable
  39.      regulators are used, the transformer's turns ratio, etc.
  40.      Some values are adjusted automatically with another component;
  41.      e.g. R1 if R2 is changed etc.
  42.  
  43.      After the components selection is completed, the program
  44.      calculates the control loop's crossover frequency and phase
  45.      margin.  The design procedure ensures that the resulting circuit
  46.      is stable in worst-case conditions and has adequate phase margin.
  47.      Should you require higher phase margin, you can change component
  48.      values (increase Co in LM2575-based designs and increase Co and
  49.      Cc in LM2577-based designs) and rerun the stability analysis to
  50.      verify the improvement.
  51.  
  52.      Finally, a junction temperature check is performed, based on our
  53.      proprietary thermal model.  It calculates the junction
  54.      temperature of the chip in your application circuit at the
  55.      specified maximum ambient temperature.  If the calculated
  56.      junction temperature exceeds the thermal shutdown limit (160degC)
  57.      the program specifies the maximum allowable thermal resistance of
  58.      the heatsink that must be used.
  59.  
  60.      After completing the design, provision is made for saving the file,
  61.      printing the schematic, and/or printing the components list complete
  62.  
  63.  
  64.  
  65.  
  66.  
  67.  
  68.  
  69.  
  70.  
  71.      with manufacturers' part numbers. To print the schematic, you must
  72.      have an Epson compatible printer.  You may view the schematic with
  73.      either Hercules, CGA, EGA, or VGA grahics capabilities.
  74.  
  75.  
  76.  
  77.  
  78.                             WARNINGS
  79.  
  80.  
  81.      The program displays warnings to alert you to certain conditions:
  82.  
  83.      1.   Current or voltage-limit exceeded.
  84.  
  85.           This message appears after the feasibility check if either
  86.           the maximum current or voltage rating of the power switch in
  87.           the IC is exceeded.   The specifications of the circuit have
  88.           to be modified (e.g. load or Vin max decreased) or, in case
  89.           of the flyback converter, the turns ratio of the transformer
  90.           may have to be modified to stay within the IC's ratings.
  91.  
  92.      2.   Burst mode operation.
  93.  
  94.           This flag calls attention to the fact that due to the light
  95.           load, the regulator skips switching cycles to maintain
  96.           regulation.  Strictly speaking, the stability analysis is
  97.           not valid in this operating mode.  Practice shows, however,
  98.           that the regulators are stable under these conditions.  The
  99.           only possible problem is the indeterminate emmitted spectrum
  100.           of the circuit, due to the non-constant operating frequency.
  101.           The burst mode warning will always appear if minimum load
  102.           is not specified, because the default value is zero.
  103.  
  104.  
  105.      3.   Short Circuit Runaway.
  106.  
  107.           This condition can occur in flyback regulators.  The problem
  108.           is generic to flybacks and not unique to the LM2577.  It
  109.           indicates that due to the non-zero minimum on-time of the
  110.           power-switch the current limit can not be maintained in an
  111.           output short circuit condition. Using a fast-recovery diode
  112.           instead of a Sckottky sometimes solves the problem.  In general,
  113.           either Vin max or N (the transformer's turns ratio) has to be
  114.           decreased to avoid the problem and to make sure that the switch
  115.           current is safely limited in case of an output short circuit.
  116.  
  117.  
  118.      4.   Possible Subharmonic Oscillation.
  119.  
  120.           In current-mode controlled DC/DC converters, like  all  the
  121.           LM2577-based converters, subharmonic oscillation can occur if
  122.           the compensating ramp slope is not high enough. The built-in,
  123.           fixed compensating ramp of the LM2577 is designed so that it
  124.           ensures subharmonic oscillation free operation in most practical
  125.           applications. However, in some cases the stability criteria
  126.           may be violated. In these rare cases the program issues a
  127.           warning.  Although the regulator maintains control of the output
  128.  
  129.  
  130.  
  131.  
  132.  
  133.  
  134.  
  135.  
  136.  
  137.           voltage even under these circumstances, you may want to avoid
  138.           this operating mode, because of increased noise and output
  139.           ripple. The value of the inductor or the primary inductance of
  140.           the transformer has to be increased to avoid this condition.
  141.  
  142.  
  143.      5.   Maximum Duty-cycle Exceeded.
  144.  
  145.           The duty-cycle of the LM2577 is limited to 90%. If the
  146.           specification requires higher duty-cycle, the program issues this
  147.           warning.  The output - input voltage difference has to be
  148.           decreased, or the transformer's turns ratio increased to avoid
  149.           this error condition.
  150.  
  151.  
  152.  
  153.      ESR AND OUTPUT VOLTAGE RIPPLE
  154.  
  155.      The ESR, equivalent series resistance, of the output filter
  156.      capacitors is a very important parameter in switching regulator
  157.      applications.  It introduces a zero in the regulator's control
  158.      loop.  To maintain good phase margin, the ESR has to be smaller
  159.      than a limit value in boost and flyback converters and has to be
  160.      between a high and a low limit in buck and buck-boost regulators.
  161.      The program outputs these limits in the "Limit Values" section
  162.      of the screen.  They can be met using so called "high frequency"
  163.      or "low ESR" capacitors, like the ones used in the internal
  164.      database.  If you choose your own capacitor from a different
  165.      manufacturer, make sure you use a product line that specifies
  166.      the ESR at higher frequency than 120Hz, e.g. 10KHz or 100KHz.
  167.      Capacitors without high frequency ESR specifications are
  168.      not intended for use in switching regulators.  Also, ESR is
  169.      temperature dependent, it can increase substantially at low
  170.      temperature.  If you design a circuit that has to operate below
  171.      0 degC, you should consult a detailed capacitor data-sheet.
  172.  
  173.      It is good practice to use a solid tantalum capacitor (at
  174.      least 10% of the output capacitor's value) in parallel with the
  175.      output capacitor if operation below 0 degC is required.
  176.  
  177.      The ESR has also a strong effect on the output ripple voltage of
  178.      the converter.  The ripple voltage can be calculated as the
  179.      product of the current ripple of the inductor or transformer
  180.      winding feeding the capacitor, and the ESR.  In boost and flyback
  181.      converter applications the output ripple (Vripple) can be
  182.      specified as an input parameter.  The program ensures that the
  183.      specification is met by the final circuit.  The program both alerts
  184.      and disallows user choice of Vripple less than 0.005Vout.  This is
  185.      because very low values of ripple can only be achieved in basic
  186.      converter designs via impractically large output capacitors with
  187.      extremely low ESR.  If Vripple is not specified, the program assumes a
  188.      ripple voltage of 0.01Vout by default.
  189.  
  190.      In buck and buck-boost applications the ripple voltage can not be
  191.      explicitly specified.  It will be calculated by the program and
  192.      listed under "Limit Values".  The ripple voltage can be
  193.      decreased, if needed, by optionally selecting larger inductors in
  194.  
  195.  
  196.  
  197.  
  198.  
  199.  
  200.  
  201.  
  202.  
  203.      these applications.
  204.  
  205.  
  206.  
  207.      STANDARD INDUCTORS AND TRANSFORMERS
  208.  
  209.      In each regulator you have the choice to use standard
  210.      inductors/tranformers or to design your own.
  211.  
  212.      The standard inductors are chosen for 30% current ripple.  The
  213.      standard transformers for flybuck converters cover the input
  214.      voltage range 4.5V to 15V and the output voltage range of +/-10V
  215.      to +/-15V.
  216.  
  217.      If you decide to use nonstandard inductors, you can specify
  218.      either the inductance or the required maximum current ripple
  219.      (in Amperes).  The program automatically calculates the other
  220.      parameter.
  221.  
  222.      In the case of nonstandard flyback transformers you have two
  223.      choices: either you can use a "full custom transformer", which means
  224.      you can input the value of the primary inductance (Lp), and turns
  225.      ratio of the main output (N1), or you can let the program design your
  226.      custom transformer. In the latter case the transformer is optimized to
  227.      deliver the maximum output power in the given application.
  228.  
  229.  
  230.      PRIME OUTPUT AND TURNS RATIO IN MULTIPLE OUTPUT FLYBACK CONVERTERS.
  231.  
  232.      The output designated by "1" subscript (V01) is always the "prime"
  233.      or directly regulated output of the flyback converter. The turns ratio
  234.      of the auxiliary secondary (output) windings are designated by N1, N2,
  235.      and N3.  N1 = the number of secondary turns of output #1 divided by
  236.      the number of primary turns; N2 and N3 are defined similarly. N2 and
  237.      N3 are not variables you can change, they are always chosen by the
  238.      program, based on N1 and the output voltages given in the input
  239.      specifications section.
  240.  
  241.  
  242.      IC OPTIONS
  243.  
  244.      If the specified output voltage is 5, 12 or 15V in a buck
  245.      converter or -5, -12 or -15V in an buck-boost converter, the
  246.      program automatically chooses and displays the appropriate fixed
  247.      output voltage versions of the Simple Switcher family.
  248.  
  249.      The same is true for boost and flyback regulators with 12V or
  250.      15V output voltage.
  251.  
  252.      For other output voltages the adjustable versions are specified
  253.      with appropriate voltage divider resistors of 1% tolerance.
  254.  
  255.      If the specified ambient temperature limits are within the
  256.      temperature range: -40degC to 125degC, the program
  257.      automatically specifies the LM2575 or LM2577 families in 5-pin
  258.      TO-220 packages.  For wider temperature range the LM1575 and
  259.      LM1577 families in 4 lead TO-3 package are indicated and
  260.  
  261.  
  262.  
  263.  
  264.  
  265.  
  266.  
  267.  
  268.  
  269.      specified. It should be noted, however, that the IC itself
  270.      is guaranteed to meet specifications in the -40 to 125 degC (LM2575 &
  271.      LM2577) and the -55 to 150 degC (LM1575 & 1577) JUNCTION temperature
  272.      range, with an approximate shutdown temperature of 160 degC.
  273.  
  274.  
  275.      OUTPUT  ACCURACY
  276.  
  277.      The accuracy of the output voltage of the buck and boost
  278.      converters using the fixed output voltage versions of the LM2575
  279.      and LM2577 families is guaranteed to be better than +/-5% over
  280.      the entire line and load range, worst case component variations
  281.      and over the full temperature range.  If the adjustable versions
  282.      are used, the accuracy can be somewhat worse depending on the
  283.      tolerance of the external divider resistors used.  If "perfect"
  284.      divider resistors are used, the adjustables actually have an accuracy
  285.      specification slightly superior to that of the fixed versions.
  286.  
  287.      In buck-boost and flyback converters the accuracy of the main
  288.      (directly regulated) output can be expected to meet the same
  289.      specification.  The auxiliary outputs of flyback converters are
  290.      not regulated and usually have lower output voltage accuracy due
  291.      to the load-regulation being much worse than on the prime
  292.      regulated output.
  293.  
  294.  
  295.      CROSSOVER FREQUENCY AND PHASE MARGIN
  296.  
  297.      The program calculates the unity - gain crossover frequency and phase
  298.      margin of the converter's control loop. They characterize the loop's
  299.      stability. The calculation is done using the final (edited) component
  300.      values. This feature enables the user to fine tune the design and/or
  301.      experiment with different component values.
  302.  
  303.      The phase margins of converters using the LM2577 are typically high
  304.      (60 - 80 deg), due to the chip's current mode control design.
  305.      The phase margin calculations are performed under worst case
  306.      conditions, i.e. minimum temperature (-55 degC), and maximum error
  307.      amplifier transconductance. As a consequence, the crossover frequency
  308.      is typically twice as high and the calculated phase margin is lower
  309.      than the value you can measure using typical parts at room
  310.      temperature.
  311.  
  312.      The buck and buck-boost converters, using the LM2575, have typically
  313.      lower phase margins. It should be noted however, that their loop gain
  314.      is extremely stable, practically constant over process variations
  315.      and operating temperature. This means that the usual design reserves
  316.      that account for loop gain variations need not be applied, and
  317.      a phase margin of 20 to 40 deg is perfectly acceptable. Remember that
  318.      the value the program calculates is worst case.  The phase
  319.      margin can be increased, if needed, by increasing the value of the
  320.      output capacitor, or in the case of the buck converter, also by
  321.      increasing the value of the inductor.  This can be done when editing
  322.      in the "Component Values" column. The program calculates the crossover
  323.      frequency and phase margin using the edited component values.
  324.      Whenever Cout is edited this calculation is performed using the ESRmax
  325.      value in the "Limit Values" column.
  326.  
  327.  
  328.  
  329.  
  330.  
  331.  
  332.  
  333.  
  334.  
  335.  
  336.  
  337.      STANDARD UNITS
  338.  
  339.      Throughout the program the following standard units are used:
  340.      V, A, OHM, H, F. Any input quantity entered without unit designation
  341.      is understood in these units. E.g. a current "300" is understood as
  342.      300A, if you want to input 300mA, you should type "300m" or "300mA" or
  343.      ".3".  "Micro" is understood by using the suffix, "u".
  344.  
  345.  
  346.      CONTINOUS/DISCONTINOUS OPERATION
  347.  
  348.      Every DC/DC converter can operate in either continous or discontinous
  349.      operating mode. In continous mode the inductor current (or the
  350.      Magneto-Motive Force in transformers) never falls to zero. The
  351.      converters operating in continous mode are able to deliver higher
  352.      output power with the same power switch limits. However, they also
  353.      generate more radiated noise and and need more input filtering as well
  354.      as more careful layout.
  355.  
  356.      For flyback converters you may elect to implement your
  357.      specifications with a discontinous mode converter. The program
  358.      warns you if this is not feasible, and switches to continous mode
  359.      automatically.
  360.  
  361.      The program designs the boost converters ensuring continous mode
  362.      operation, so as to maximize the available output power. You can force
  363.      discontinous operation by choosing  a low value custom inductor.
  364.  
  365.      Whether in buck or buck-boost converters, the program checks the input
  366.      parameters to decide whether the converter operates in continous or
  367.      discontinous mode. The model, used to calculate crossover frequency
  368.      and phase margin, is automatically adjusted to fit the operating mode.
  369.      You can recognize whether the converter is running in continous or
  370.      discontinous operating mode from the Limit Value list: if L<"value"
  371.      is shown, the converter operates in discontinous mode,  L>"value",
  372.      on the other hand, indicates continuous mode operation.
  373.  
  374.  
  375.      COMPONENTS NOT FOUND IN THE DATA-BASE.
  376.  
  377.      Components, not found in the data-base, are printed without vendor
  378.      callout in the component list. In the case of output capacitors, the
  379.      limit values are printed.
  380.  
  381.  
  382.      EXTREME LOW POWER CONVERTERS
  383.  
  384.      If very low output power is specified (Po<0.1W), discontinous mode
  385.      operation yields superior results. In these cases it is recommended
  386.      that you use custom inductors or full custom transformers with
  387.      adequately low primary inductance. Should you not use this preferred
  388.      mode, the resulting continous mode design (although functional and
  389.      stable) will have inductors and capacitors with extremely high, and
  390.      thus impractical, values.
  391.  
  392.  
  393.  
  394.  
  395.  
  396.  
  397.  
  398.  
  399.  
  400.  
  401.  
  402.      MULTIPLE ITERATIONS
  403.  
  404.      If you iterate by changing component values many times in the same
  405.      circuit, you may  reach your memory limit, and could be dumped back
  406.      to DOS.  To avoid this, it is recommended that after 5 changes you
  407.      save your circuit, and recall it if you wish to experiment more
  408.      with it.
  409.  
  410.      A WORD OF CAUTION:
  411.  
  412.      Although we made every effort to ensure that the program is
  413.      bug-free and yields circuits that correspond to the
  414.      specifications, we strongly urge you to build the regulators and
  415.      test them thoroughly before using them in production.  National
  416.      offers a small PCB for evaluation purposes to assist you in evaluating
  417.      actual hardware.
  418.  
  419.  
  420.      QUESTIONS OR SUGGESTIONS
  421.  
  422.      Our Design and Application staff have put a great deal of effort into
  423.      creating both a true Expert System and a user friendly tool.  We
  424.      sincerely hope that you will find this diskette useful in applying our
  425.      new Simple Switcher (TM) family of high performance, yet easy-to-use
  426.      voltage regulators.
  427.  
  428.      "Switchers Made Simple" represents a breakthrough in design-aid tools
  429.      offered by semiconductor vendors. Unlike modeling tools that ANALYZE
  430.      circuits the user must first create, this program undertakes the more
  431.      difficult task of SYNTHESIZING the design and then calculating
  432.      performance parameters.  It then takes the additional step of
  433.      identifying the actual components needed to physically realize the
  434.      circuit.  "Switchers Made Simple" is but one part of a complete
  435.      package of support that National offers you, our customers.
  436.  
  437.      Should you have any questions or suggestions regarding this
  438.      program call Linear Applications at 408-721-5608.  You can also
  439.      reach us by Fax: 408-732-7549.  Please call your local National
  440.      Semiconductor sales office or authorized distributor for samples
  441.      and evaluation boards.
  442.  
  443.  
  444.  
  445.      SUGGESTED READING
  446.  
  447.      1.   LM2575 and LM2577 data-sheets.
  448.  
  449.      2.   T. Szepesi, J. Bittner, H. Suzuki: Simple Switchers: A new
  450.           breed of power + control IC's for DC/DC converters.
  451.           PCIM '89 Proceedings, 1989 Long Beach, pp:437-449
  452.  
  453.      3.   T. Szepesi, J. Bittner, H. Santo: On card DC/DC converters
  454.           with the new "Simple Switcher" regulator family.
  455.           PCIM '90 Europe Proceedings, 1990 Munich.
  456.  
  457.  
  458.      To get a copy, call Linear Applications at the phone number above.
  459.