Annons

fredag 30 januari 2015vecka 5
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)

 

Utbildningen som ger jobb
article thumbnailigår Västeråsbaserade Agstu får fortsatt förtroende att driva den ettåriga yrkesinriktade distansutbildningen ”Tillämpad Elektronik för Inbyggda System”, TEIS. FPGA-specialisten Lennart Lindh ligger bakom utbildningen, som går för fjärde gången.
Sics dumpar föraren
article thumbnailigår Googles förarlösa bilar har fått fart på debatten om hur bilarna kan byggas i framtiden. Forskningsinstitutet Sics är betydligt mer jordnära i projektet Wroomm som studerar fjärrstyrda arbetsfordon för bland annat gruvor.
Volvo och Siemens mekar elbuss
article thumbnailigår Fordonstillverkaren Volvo och industrikoncernen Siemens har tecknat ett globalt avtal om att leverera kompletta system för elektriska bussar. Samarbetet gäller för Volvos elhybridbussar och helelektriska bussar som Siemens ska leverera och installera laddstationer till.
Bättre lönsamhet i Data Respons
article thumbnailigår Konsulten Data Respons redovisar god tillväxt och ökande lönsamhet för 2014. Orderingången i fjärde kvartalet satte rekord.
Lightlab släcker lampan
article thumbnailigår Svenska Lightlab – som under många år försökt ta fram ett miljövänligt alternativ till dagens lågenergilampor – byter spår. Istället för att göra lampor för belysning går företaget över till att utveckla UV-lampor för vattenrening. Samtidigt bantas företaget.
Ska ge nationer klimatråd
article thumbnailons Lundaprofessorn Lars J Nilsson är en av 12 experter i en internationell grupp som ska ge råd om klimatomställning. Medlemmarna har redan bistått 50 internationella organisationer och 200 regeringar  och organisationer i 27 länder.
Termoparen ser vad du gör
article thumbnailons Den kan detektera dig och din kompis och se åt vilket håll ni rör er. Panasonics nya sensor är baserad på 64 så kallade termopar som mäter IR-strålningen, det vill säga värmen på objekten inom synfältet.
Världsrekord i kvartalsvinst
article thumbnailons Apple skriver historia: 18 miljarder dollar gjorde företaget i vinst under kvartalet som slutade den 27 december. Det tidigare rekordet på 16 miljarder dollar innehades av det ryska energibolaget Gazprom.
Intel i kinaprocessor i år
article thumbnailons Kinesiska Spreadtrum ska släppa en serie Intelbaserade systemkretsar under andra halvåret i år. Det avslöjar tidningen Digitimes.
Ericsson skriver om 5G
article thumbnailons Kapplöpningen inför den kommande 5G-standarden pågår sedan ett par år och telekomjätten Ericsson är med i många av de större projekten, framförallt i Europa och i Asien. Företrädare för företaget pratar ofta om vad tekniken måste klara när den lanseras runt 2020. Nu har företaget släppt ett 14-sidigt vitpapper som går lite mer på djupet.
Mer M2M hos Acte
article thumbnailons Acte Solutions ska sälja M2M-produkter från australiska NetComms Wireless på den nordiska marknaden. Företaget utvecklar M2M-produkter för 3G och 4G men även för bredband i glesbygd.
Styv bris för vindkraft i fjol
article thumbnailons USA installerade sex gånger mer vindkraftseffekt 2014 än 2013. I Kina växte installationerna med 38 procent – landet tog 40 procent av alla de vindwatt som installerades globalt. Siffrorna kommer från BNEF (Bloomberg New Energy Finance).
Lattice köper kommunikation för miljarder
article thumbnailtis FPGA-företaget Lattice har lagt ett kontantbud värt 5,2 miljarder kronor på Silicon Image som gör kretsar för trådad och trådlös överföring av multimedia.
Sivers IMA:s krymper radarmodulen
article thumbnailtis Kistabaserade mikrovågsspecialisten Sivers IMA har utvecklat en radarsensor på 77 GHz för tuffa industriella miljöer.
Sectra säkrar smartmobiler
article thumbnailtis Linköpingsbaserade Sectra släpper en hårdvarulösning som gör vanliga smartmobiler säkrare genom att kryptera tal och SMS. Nykomlingen Tiger/R fungerar ihop med företagets andra mobiler som håller en ännu högre säkerhetsklass.
Contiki bevisar sig i EU-projekt
article thumbnailtis En stabil, tillförlitlig och robust plattform för Internet of Things – det har EU-projektet Relyonit byggt i Sics operativsystem Contiki. Det användes framgångsrikt i två studier i projektet.
Ericsson står och stampar
article thumbnailtis Försäljningen ökade 1 procent och rörelseresultatet ökade till 6,3 miljarder kronor under fjolårets fjärde kvartal. Den tröga USA-marknaden backade 6 procent vilket uppvägdes av Europa, Mellanöstern och Asien som växte. Men kanske viktigast av allt för svensk del, det kom inga nya sparpaket eller fabriksnedläggningar.
Styrkretsar för sensorer
article thumbnailtis Rök-, gas- och rörelsesensorer – det är några användningsområden för Renesas nya styrkretsfamilj RL78/I1D.
Cablevision erbjuder wifi-telefoni
article thumbnailmån Ett abonnemang som bara går att använda via wifi – det startar operatören Cablevision i New York-området i februari. Wifibasstationerna är redan utrullade – de står hemma hos Cablevisions Internetkunder.
Fingeravtrycket avslöjar energitjuven
article thumbnailmån Du behöver inte en elmätare på varje apparat, det räcker med att logga hushållets totala förbrukning för att se om någon apparat förbrukar onödigt mycket. Tekniken kommer från KTH-avknoppningen Watty och har fått stöd av entreprenören Nicklas Zennström liksom 10 miljoner i såddfinansiering.

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
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