Annons

torsdag 27 november 2014vecka 48
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

 

Eventuella läsarkommentarer finns längre ner (länk)

 

WebRTC kräver två videoformat
article thumbnail16:03 Den långa debatten om huruvida kommunikationstekniken WebRTC ska stödja video via VP8 eller H.264 har lösts med en kompromiss  – man måste stödja båda.
Kretsen som mäter temperaturen utan besvär
article thumbnail13:10 En mycket liten krets som enkelt kopplas till de flesta typer av temperatursensorer och sedan noggrant mäter temperaturen är vad Linear Technology just släppt. Inget liknande finns sedan tidigare, hävdar företaget.
Intels mobilprocessorer går back med miljarder
article thumbnail11:25 Under de senaste två åren har Intel inte tjänat ett öre på att tillverka processorer till mobiler och surfplattor, utan tvärtom förlorat 7 miljarder dollar. Styrelsen klubbade nyligen att pengarullningen ska fortsätta.
Dubbelpipig experimentlåda för avancerad radio
article thumbnail8:21 Brittiska Lime släpper en andra generation av sin programmerbara krets för digital radiokommunikation och sänker samtidigt priset rejält. Nykomlingen har dubbla transceivrar och passar i Mimo-system.
Saab ber hackers om hjälp
article thumbnailigår En gratisresa med övernattning till Saab i Linköping – inklusive en provtur i en Gripen-simulator. Det är förstapriset i en tävling som Saab Aeronautics nu utmanar alla Linux-hackers med.
Contac Solutions köper Westland Elektronik
article thumbnailigår Underleverantören Contac Solutions köper konkursade Westland Elektronik i Sala och får därmed en mindre tillverkningsenhet i Sverige.
Infineon köper in sig i PCB-tillverkare
article thumbnailigår Halvledartillverkaren Infineon – stark på krafthalvledare – köper 9,4 procent av aktierna i den tyska mönsterkortstillverkaren Schweizer Electronic. Intentionen är att i gemensam regi utveckla tekniker för att integrera krafthalvledare i själva kretskorten.
Robust och mobil mätförstärkare
article thumbnailigår Mätförstärkarfamiljen SomatXR från tyska HBM är utvecklad för mobil mätdatainsamling under extrema förhållanden. Modulerna passar bland annat vid körtester av tunga fordon.
Försvaret testar svensk fjärrhelikopter
article thumbnailigår Svenska Cybaeros fjärrstyrda helikoptersystem APID ska testas av Försvarets materielverk, FMV. Planen är att test- och demonstrationsflygningar ska ske från Visbykorvetten under det tredje kvartalet nästa år.
PC-baserad nätverkare hos MTT
article thumbnailigår Distributören MTT Design and Verification har utsetts till skandinavisk representant för de PC-baserade nätverksanalysatorerna från amerikanska Copper Mountain.
Harman öppnar i Göteborg och demar sin teknik
article thumbnailtis När Volvos gamla audiopartner Harman öppnade portarna på sitt nya Sverigekonto idag, demonstrerade företaget bland annat sin nya HTML5-baserade infotainmentplattform.
Tuff Pic33 för fordon och motorstyrning
article thumbnailtis Microchip är en ny familj 5V-styrkretsar från Microchip. De är kvalificerade för användning i upp till 150 °C och ska därmed fungera bra bland annat under motorhuven.
Midsummer göra ännu billigare tunnfilmssolceller
article thumbnailtis Järfällaföretaget Midsummer, som tillverkar produktionslinor för tunnfilmssolceller, har lyckats halvera tjockleken på de tillverkade solcellernas CIGS-lager utan att förlora i prestanda. Därmed har ett steg tagits mot en ännu mer kostnadseffektiv tillverkning av tunnfilmssolceller.
IBM hjälper Ericsson utveckla 5G-antenner
article thumbnailtis Antenner som kan klara de extremt höga datahastigheter som kommer att krävas i framtida 5G-nät är vad Ericsson och IBM ska utveckla tillsammans. Samarbetet ska utmynna i prototypsystem som stöder flera mobilanvändare, möjliggör en mängd nya tjänster på samma frekvens samt kan hantera datahastigheter som är flera storleksordningar högre än idag.
Svenska bränsleceller slår rot i Sydkorea
article thumbnailtis I Sydkorea är intresset för förnybara energikällor starkt. Bränslecellsföretaget Powercell etablerar därför verksamhet i landet, genom Powercell Korea med säte i Seoul.
Ny CPU ska ge exascale computing
article thumbnailtis Två amerikanska ynglingar lanserar en superprocessor som de anser behövs för att nå det idag till synes omöjliga målet att bygga en superdator som klarar en triljon flyttalsoperationer per sekund. Processorn liknar superprocessorn Epiphany, med skillnaden att den är öppen källkod.
Solceller utan installationskostnad
article thumbnailmån Det tyska forskningsinstitutet Fraunhofer presenterar solceller för takinstallation som är snabbinstallerade ur alla aspekter – från installationen i sig till godkännande och säkerhetskontroll. För att göra dem personsäkra används en ny sorts elektricitet.
Svensk fond för öppen källkod
article thumbnailmån Lufoss är en nyinstiftad fond ämnad att underblåsa framtida öppenkällkodsprojekt inom Öresundsregionen. Utdelningen, som till en början kommer att ligga på 5 000 till 10 000 kronor, ska sporra teknologer, forskare, företag och andra IT-entusiaster inom regionen som idag bidrar till utvecklingen i det fördolda.
CAD-resurs certifierat enligt IPC
article thumbnailmån För att få god kvalitet i mönster- och kretskort blir det allt vanligare att utgå från IPC-standarder vid designarbetet, ett faktum som CAD-resurs tagit fasta på genom att utbilda hela personalen.
Mediatek utmanar Qualcomm på ny front
article thumbnailmån MT6735 är taiwanesiska Mediateks första mobilprocessor med stöd för CDMA2000. Och det var sista pusselbiten. Mediatek stöder nu jordens alla stora mobilstandarder i en och samma processor.

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
Annons
Annons

Sök komponent
(demoversion)






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