Annons

fredag 31 oktober 2014vecka 44
twitterfblinkedin
STARTSIDA Internet of Things Embedded Power Energi Distribution Fordon Kommunikation Medicin Komponenter Produktion Test & mät

Visa endast artikeln (fr utskrift)
Av Mats Hellberg, Linear Technology

Mats Hellberg, Linear Technology2012-06-29 Linear Technology:
Verifiera din kraftkonstruktion snabbt och rätt

”Ska man konstruera kraft till elektronik med krav på hög tillförlitlighet blir kravet på korrekt verifiering av konstruktionen större än då tillförlitlighetskraven är lägre. En effektiv metod att verifiera en DC/DC-konstruktion är att jämföra simulerad och uppmätt verkningsgrad”. Det skriver Mats Hellberg, FAE på Linear Technology, i en expertartikel för Elektroniktidningen.


Mats Hellberg, Linear TechnologyOM FÖRFATTAREN

Mats Hellberg
arbetar som fältapplikationsingenjör, FAE, på Linear Technology i Kista. Under de senaste åren har han hållit kurser i simulering med LTspice, som idag är det mest använda SPICE-simuleringsverktyget globalt.
Denna artikel behandlar simulering av verkningsgraden hos en DC/DC-konstruktion samt korrekt mätmetod för att kunna verifiera det simulerade resultatet.

Jag har under de senaste åren hållit utbildningar inom simulering av analoga konstruktioner, då med tyngdpunkt på switchad kraftförsörjning. En vanlig fråga under utbildningen är hur noggranna modellerna i simuleringsprogrammet är, det vill säga hur mycket det går att lita på en simulerad konstruktion. Ett bra sätt att verifiera en DC/DC-uppkoppling i simulatorn är att utgå från verkningsgraden eftersom en alltför ideal modell i simuleringen snabbt kommer att avslöjas när man mäter fysiskt på samma konstruktion.

Omvandlingsförlusterna hos en konstruktion består av tre delar:
  • egenförbrukningen i regulatorn
  • ledningsbundna resistiva förluster (DC loss)
  • dynamiska förluster (AC loss)
Ledningsbundna förluster består av Rds(on) genom transistorer, dioders framledningsfall, kondensatorers anslutningsresistanser och induktansers resistanser. De dynamiska förlusterna består av energin som går åt för att driva MOSFET:ar eller andra aktiva element samt kärnförlusten i induktiva komponenter. De dynamiska förlusterna ökar med frekvensen, medan egenförbrukningen kan ändras med lasten om kretsen exempelvis stödjer burst mode.
KLICKA FÖR STÖRRE BILDER!

Linear Technology
Figur 1. En typisk verkningsgradskurva.

Linear Technology
Figur 2. Simuleringsexempel.

Linear Technology
Figur 3. Plott från loggfil.

Linear Technology
Figur 4. Mätuppsättning.

Linear Technology
Figur 5. Den uppmätta verkningsgraden korrelerar bra mot den simulerade verkningsgrad i detta exempel.

Linear Technology
Syntaxexempel som ger verkningsgraden.

Linear Technology
För att få jämförbara mätvärden bör alla instrument som används för att verifiera verkningsgraden vara av samma typ. Här föll valet på fyra identiska multimetrar.

Verkningsgradskurvan kan snabbt visa var de olika förlusterna dominerar (figur 1). I den första regionen, vid lättare last, är det egenförbrukningen och de dynamiska förlusterna som dominerar. Vid punkten för den högsta verkningsgraden är de ledningsbundna och de dynamiska förlusterna lika stora. Därefter är det de rena ledningsbundna förlusterna som dominerande.

LTspice är ett kostnadsfritt simulationsprogram från Linear Technology för analog konstruktion. Programmet inkluderar många olika modeller av kretsar för switchad kraftomvandling. Modellerna är inte bara rena SPICE-varianter, utan egenutvecklade modeller som gör det möjligt att modellera omvandlare i olika arbetstillstånd. Givetvis stödjs även vanliga SPICE modeller av programmet.

LTspice innehåller även en unik modellering av MOSFET:ar för typen vertikal drain (VD-mos) vilket ytterligare ökar noggrannheten hos simuleringsresultat. Tidigare typer av MOSFET-modeller stödjer sig på metoder som togs fram under 1970-talet då VD-mos inte var vanligt.

Kretsen som jag använder i den här artikeln är LT3575, en isolerad flyback-omvandlare med intern transistor. Kretskopplingen som simuleras är baserad på samma uppkoppling som demokortet (figur 2). Endast transformatorns DCR-värden och kondensatorernas ESR-värden har lagts till. Observera att inga kärnförluster eller mättnadsegenskaper i induktiva komponenter har simulerats i detta exempel.

LTspice innehåller ett verkningsgradsrapportverktyg (Efficiency Report) som kan ta fram verkningsgraden vid en statisk last efter att DC/DC-uppkopplingen nått sin arbetspunkt. Fördelen med detta rapportverktyg är att det underlättar optimeringen av verkningsgraden. I den här artikeln kommer jag dock att använda mig av .measure script för att utvärdera verkningsgraden över en varierande last.  Scriptet .measure (förkortas .meas) är ett användardefinierat script över vad som ska mätas efter varje simulering.

Syntaxexemplet överst på nästa sida mäter effekten in samt effekten ut under tidsperioden 2 ms till 3 ms in i simuleringen. Därefter beräknas parametern Pout/Pin, som ger verkningsgraden.

Tillsammans med stegning (.step) av lasten automatiseras simuleringen av punkterna som behövs för att jämföra med de uppmätta mätpunkterna. Efter simuleringen finns dessa datapunkter i logfilen (SPICE Error Log) och kan därifrån antingen exporteras eller ritas upp som en vågform (figur 3).

Verifiering av verkningsgrad. Vid mätning av verkningsgrad gäller det att man har en mätmetod som minimerar felen. Det behövs fyra värden; U(in), U(ut), I(in) och I(ut). För att få relevanta och jämförbara mätvärden krävs det att alla instrument som används är av samma typ, eftersom vissa instrument exempelvis kan visa medelvärde medan andra visar effektvärdesbildande resultat.

Allra helst skulle man vilja använda exakt samma multimeter och samma referensspänning för alla mätningar, men det går inte. Istället bör man använda likadana instrument och framförallt undvika att exempelvis använda ett oscilloskop tillsammans med olika multimetrar eller att använda värden från labb-aggregat.

I denna mätning har jag valt att använda fyra stycken identiska multimetrar och en digitalkamera för att fånga momentant värde eftersom jag inte är extremt snabb på att skriva ner mätvärden. En viktig detalj är att in- och utspänningen mäts över in- och utgångskondensatorerna (figur 4), då detta mätvärde representerar det simulerade värdet mest korrekt. Att mäta vid anslutningspunkter genererar mätfel på flertal procent vid högre effektuttag.

Antalet uppmätta punkter som behövs beror på hur viktiga olika områden är, det vill säga hur stort dynamiskt område lasten arbetar i. Vid högre last behövs inte lika många mätpunkter, då den resistiva förlusten beter sig linjärt. Totalt nio mätpunkter från 50mA till 2A last räcker i det här exemplet.

I detta exempel har jag endast mätt på ett demokort och jämfört resultatet med simuleringsmodellens egenskaper. Dagens halvledare har liten spridning mellan olika enheter, så eventuella variation i resultat beror mer av externa komponenter och temperaturvariationer än den aktiva komponentens variation.

Verifiering av verkningsgrad är en bra metod för att se om en implementerad DC/DC-konstruktioner verkligen jobbar så optimalt som den var tänkt. Problem runt kringkomponenter, instabilitet och felaktiga värden kommer snabbt att avslöjas på bekostnad av verkningsgraden inte korrelerar med simulerat data. ”Att mäta är att veta” (Werner von Siemens, 1816–1892).

Mats Hellberg arbetar som fältapplikationsingenjör, FAE, på Linear Technology i Kista. Under de senaste åren har han hållit kurser i simulering med LTspice, som idag är det mest använda SPICE-simuleringsverktyget globalt.
Annons
Annons

 

Eventuella läsarkommentarer finns längre ner (länk)

 

Svenska bitcoinbolaget hotas av stämningar
article thumbnailigår Kunder till svenska bitcoinföretaget KNC Miner tänker stämma företaget för uteblivna leveranser av företagets processorkort för bicointillverkning. Och företagets presskontakt vägrar svara på frågor. Det berättar den svenska tidningen Computer Sweden.
HP lovar revolution inom 3D-utskrift
article thumbnailigår Hälften så dyr och tio gånger snabbare än konkurrenterna – så beskriver HP sin nya 3D-skrivarteknik. Dessutom lanserar företaget en tillhörande arbetsstation som med hjälpa av kamera och projektor låter dig bolla objekt mellan den fysiska och den virtuella världen.
Finsk strömsnål Bluetooth via USB
article thumbnailigår En USB-dongel för Bluetooth LE finns nu hos RS Components. Tillverkaren är finska Bluegiga.
Effektiv kompakt kraft
article thumbnailigår Kraftspecialisten XP Power säger sig ha branschens minsta konvektionskylda 400 watt AC/DC-omvandlare för medicinska och industriella tillämpningar. Verkningsgraden ligger på 94 procent över en stor del av belastningsområdet.
Norskt skal gör Arduino trådlös
article thumbnailigår Vill du koppla upp ett Arduino Uno-kort trådlöst? Då kan norska Energy Micros utvecklingskort för Bluetooth Smart, ANT och andra 2,4 GHz-standarder med låg energiförbrukning vara ett intressant alternativ.
Ny generation bättre kraftnätsbatteri
article thumbnailigår 300 dollar per kWh. Det är prislappen på en ny generation vanadinbatterier från Imergy. Genom att bland annat använda restprodukter som råvara kan man stryka hela 200 dollar från första generationens prislapp.
Idiotsäker och intelligent laddare
article thumbnailigår Inget går sönder och det blir inga gnistor om du ansluter laddaren på fel sätt. Du kan lämna den inkopplad hur länge som helst utan att batteriet eller fordonets elektronik tar skada. Snarare är det tvärtom, svenska Cteks intelligenta laddare motionerar blybatteriet så att det håller längre.
Vinkelsensor för tuffa tillfällen
article thumbnailons Industrins noggrannaste, snabbaste och energisnålaste magnetiska vinkelsensor är vad Analog Devices just släppt. Sensorn kan direkt mäta axelposition i likströmsmotorer. Likaså är den kvalificerad för fordonstillämpningar.
Fyra halvledarchefer diskuterar IoT
article thumbnailons Att sakernas internet är stekhett har väl knappast undgått någon och självklart är det även ämnet för den traditionella rundabordsdebatten på jättemässan Electronicas första dag med cheferna för ST Microelectronics, NXP, Infineon och Freescale.
Huawei: vår telefon är snabbast
article thumbnailons Huawei släpper en Androidtelefon under det nya varumärket Honor. Hjärtat är en egen systemkrets med Cat6-LTE-modem och fyra Arm Cortex A7- och fyra Arm Cortex A17-kärnor. Det här är världens snabbaste telefon, enligt Huaweis marknadsföring.
Japan köper färsk amerikan för jättesumma
article thumbnailons Japanska Megachips köper amerikanska Sitime, som utvecklar mikromekaniska kretsar som ersätter kvartskristaller i timingtillämpningar, för 200 miljoner dollar – knappt 1,5 miljarder kronor. Köpet sker nästan på Sitimes 10-årsdag.
4k-video i mobiler med Arms nya kärnor
article thumbnailons Arm släpper nya IP-kärnor för grafik, video och skärmstyrning. De ska kunna användas i allt från mobiler till TV-boxar.
Hans Holst: Släpp loss kunderna!
article thumbnailons Den urgamla myten om konflikten mellan Zeus och Prometheus visade på Zeus visdom. Han ville inte att människorna skulle få tillgång till elden. Risken var uppenbar – då eldar människorna upp hela planeten! Denna ovilja att dela med sig av elden kallas den oligarkiska principen. Tänkvärt, eller?
Digi-Key växer starkt i Europa
article thumbnailtis För nästan exakt två år sedan offentliggjorde Digi-Key sin nya offensiv mot Europa. Nu skördar företaget frukten av den genomtänkta satsningen. Försäljningen i Europa har i medel växt med 26 procent i år, jämfört med de tre första kvartalen i fjol.
Raspberry Pi som mätinstrument
article thumbnailtis Oscilloskop, logikanalysator, komparator, vågformsgenerator och spektrumanalysator. Det är några av de instrument som ryms i Bitscope Micro, ett litet vattentätt tillbehör på 12 gram som förvandlar Rapberry Pi till ett fullfjädrat mätinstrument.
Glöm risc och cisc – nu kommer visc
article thumbnailtis En virtuell processorarkitektur – det är en idé som amerikanska Soft Machines i smyg arbetat med  i hela sju år. Nu presenterar gänget till slut sin första kärna. Den ska kunna exekvera 3-4 gånger fler instruktioner per processorcykel än Intel och Arm, och ge 2-4 gånger mer prestanda per watt. Arkitekturen kan dessutom köra program för andra arkitekturer.
Uppåt för Mycronic
article thumbnailtis Ökad orderingång, högre omsättning, förbättrat rörelseresultat och mer pengar kvar efter skatt. Maskritar- och ytmonteringsföretaget Mycronics siffror för årets tredje är klart bättre än i fjol.
Fem minuter med Mats Odell
article thumbnailtis Även om det Vinnovastödda programmet Smartare Elektroniksystem formellt inte startar förrän nästa år arrangerades vad som närmast kan liknas vid en kick-off på Tekniska museet den 25 september. Där presenterade sig Mats Odell, som är nybliven ordförande för programmet.
Infineon staplar sensorer
article thumbnailmån Två oberoende sensorer staplade på varandra i samma kapsel. Så vill Infineon tackla kravet på redundans i säkerhetskritiska fordonstillämpningar där även pris och storlek har avgörande betydelse.
Snabbare fordonsverifiering från Cadence
article thumbnailmån Förmågan att upptäcka att något är fel är en viktig parameter när man ska verifiera att en konstruktion uppfyller fordonsstandarden 26262. Idag görs det arbetet till stor del manuellt, något som Cadence vill snabba upp med ett nytt verktyg för verifiering av funktionell säkerhet.

För mer nyheter, testa en sektion nedan, eller gå till startsidan!

 

Internet of Things Embedded Power Energi Distribution Fordon Kommunikation Medicin Komponenter Produktion Test & mät

 

 
KOMMENTERAT
Kommentarer via Disqus

Annons

Sök komponent
(demoversion)






Annons
Annons
Anna, A-C, Jan, Per
Administration Jan Tångring
Annonser Anne-Charlotte Sparrvik
Redaktion red@etn.se
Ansvarig utgivare Anna Wennberg på uppdrag av Elektroniktidningen Sverige AB
© Elektroniktidningen Sverige AB
Publiceringssystem Joomla, webbhotell Glesys
Smal annons