Annons

söndag 19 april 2015vecka 16
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)

 

Ericsson stöttar nederländsk solbil
article thumbnailfre Ett studentlag från Universitetet i Eindhoven får svenska Ericssons hjälp att bygga en solbil för fyra passagerare. Den ska klara att resa 1500 kilometer på en enda laddning och hoppas kunna försvara sin titel från i förrfjol i tävlingen World Solar Challenge.
Arm shoppar snålbluetooth
article thumbnailfre Brittiska ARM har köpt Wicentric som gör stackar och profiler liksom Sunrise Micro Devices, en leverantör radio-IP under 1 volt.
Hittar alltid positionen
article thumbnailfre Det spelar ingen roll om signalerna kommer från GPS, Glonass eller Beidou. Den nya mottagaren från schweiziska Ublox klarar att ge dig positionen oberoende av vilka satelliter som för tillfället ”syns” på himlen.
Visionmobile avslöjar IoT-revolutionens vinnare år 2020
article thumbnailfre Svenska mobilanalytikern avslöjar:Google eller Apple eller båda kommer år 2020 att driva ledande IoT-plattformar som inte går att utmana. Och de ledande IoT-företagen kommer inte att vara någon av dagens stora namn. Det är två av de spännande profetiorna i en rapport från svenska analysföretaget Visionmobile.
Mäter från 1 mA till 50 A
article thumbnailfre Oscilloskoptillverkaren Teledyne LeCroy har förbättrat känsligheten en storleksordning i den senaste strömtången som numera kommer med en känslighet på 1 mA/skalenhet.
Lyckad Göteborgsmässa!
article thumbnailtor Riktigt vad som gjorde Elektronik 2015 i Göteborg till en lyckad mässa är svårt att sätta fingret på. Antagligen är det ett antal olika faktorer som samverkar för att skapa ett event som lockar 2953 besökare och som fick utställarna att känna sig nöjda.
Renesas släpper ny C-kompilator
article thumbnailtor Den nya kompilatorn heter CC-RL och hanterar kod för Renesas 16-bitars processorfamilj RL78. Den ersätter Renesas egen internt utvecklade kompilator och ska enligt Renesas sänka strömförbrukningen och öka prestanda hos kompilerad kod.
Veijo Ojanperä: Akta dig, Ericsson!
article thumbnailtor Nu är det klart. Nokia köper Alcatel-Lucent för häftiga 15,3 miljarder euro. Målet är att ta sig förbi Ericsson och bli nummer ett på mobilnätverk.
Mobilt bredband tar över TV-band
article thumbnailtor Det ger störst samhällsnytta att låta dagens TV-band på 700 MHz användas för mobilt bredband, konstaterar Post och Telestyrelsen i en utredning beställd av regeringen.
TCO vitlistar ofarliga kemikalier
article thumbnailtor Istället för att varna för kemikalier som vi tror är giftiga: gör en lista på motsatsen, kemikalier som vi tror inte är giftiga. Förslaget finns i ett utkast till nya regler för miljömärkningen TCO Certfied.
Din Iphone – forskarnas testlabb
article thumbnailons Apple släpper öppen källkod som hjälper medicinforskare att bygga Iphone-appar för sina försökspersoner.
Klart: Nokia köper Alcatel-Lucent
article thumbnailons I morse blev det klart att ledningarna för Nokia och Alcatel-Lucent kommit överens om att bolagen ska fusioneras. Nokia erbjuder sig att betala 145 miljarder kronor för det fransk-amerikanska företaget.
Axis släpper porttelefon
article thumbnailons Svenska nätkameraföretaget Axis släpper en ny produkttyp – en porttelefon med integrerad video för identifiering och passagekontroll. Målgrupppen är små- och medelstora företag.
I år tar Apple revansch på Microsoft
article thumbnailons I år kommer världen att köpa fler apparater med operativsystem från Apple, än apparater med operativsystem från Microsoft. Observationen – en försiktig prognos – kommer från analytikern Horace Dediu.
Nio dagar kvar till Lunds IoT-konferens
article thumbnailons Internet of Things, smarta accessoarer, e-hälsa och design är temat för Ideons Internet of Things-konferens den 23 april. Cirka 350 personer förväntas delta, enligt arrangören, från ledande befattningshavare till studenter.
BEKRÄFTAT: Nokia vill köpa Alcatel Lucent
article thumbnailtis Nokia bekräftar nattens rykte om ett planerat köp av hela eller delar av Lucent. Företaget varnar dock för att affären inte är avslutad och fortfarande kan gå i stöpet.
Driver multipla lysdioder
article thumbnailtis En DC/DC-omvandlare som kan driva upp till 16 vita lysdioder från 12 V är vad Linear Technology just släppt. Kretsen har en strömmode-arkitektur med en inbyggd DMOS-transistor på 60 V och 4 A.
Simics simulerar processorer i Simulink
article thumbnailtis Två av simulatorvärldens giganter har mötts och nu är det som resultat möjligt att göra processor-in-the-loop-testning (PIL) i Mathworks Simulink – utan fysisk processor. Istället simuleras processorn i Wind Rivers verktyg Simics.
ABB köper robotexpertis
article thumbnailtis Igår tog Yumi – en robot som kan jobba sida vid sida med människor –  klivet in på marknaden då skapelsen introducerades av ABB på Hannovermässan. Nu avslöjar ABB köpet av tyska Gomtec, vars teknik ska stärka företagets utveckling av robotar som kan samarbeta med människor.
Fler kortplatser i NI:s fristående mätsystem
article thumbnailtis För lite drygt två år sedan kastade datainsamlingssystemet CompactDAQ loss från datorn i och med att National Instruments lanserade en variant med integrerad kontroller. Nu kommer en variant med fler kortplatser – åtta stycken – och bättre processor – en tvåkärnig Atom.

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

 

 
Svenska elektronikkonsulter
200 företag
Senast uppdaterad:
Eldevice AB i Göteborg.
KOMMENTERAT
Kommentarer via Disqus

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