Annons

måndag 3 augusti 2015vecka 32
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 TechnologyUR ARKIVET: 2012-06-29 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.

 

Eventuella läsarkommentarer finns längre ner (länk)

 

Prototyptjänst för flexkort
article thumbnail8:22 Lägg in flera olika kort i samma panel så blir startkostnaden lägre. Erbjudandet har döpts till PCB-Pool av mönsterkortsleverantören Beta Layout som tycker att fler konstruktörer borde börja använda sig av flexkort.
Flextronics blir Flex
article thumbnail7:44 I vardagligt tal har många sagt Flex när de pratar om kontraktstillverkaren Flextronics. Nu ändras namnet officiellt för att markera att företaget inte enbart är en kontraktstillverkare.
Qualcommchef fälld för insiderbrott
article thumbnail29/6 En tidigare chef för Qualcomm Global Business Operarions dömds till 18 månaders fängelse och en halv miljon dollar i böter, för att ha utnyttjat konfidentiell Qualcomminformation för att göra bra affärer.
LG bygger batterier i valfri form
article thumbnail29/6 Armbandsur är typiskt runda, så genom att helt enkelt kapa två hörn på dagens fyrkantiga batterier säger sig LG kunna ge smarta klockor fyra timmars längre batteritid. De sexkantiga batterierna kommer från en ny produktionsprocess som enligt  LG Chem kan ge batterier i godtyckligt form.
Chalmers ansluter sig till MAX IV och ESS
article thumbnail29/6 Chalmers satsar 50 miljoner kronor på neutronkällan ESS  (European Spallation Source)  och röntgenkällan Max IV i Lund.  Chalmers pengar går till inköp och drift av nya strålrör på MAX IV och till utbildning av en ny generation materialforskare.
Nya pengar för forskning om energieffektiva fordon
article thumbnail29/6 Från och med slutet av augusti kan du ansöka om pengar från Energimyndighetens program Energieffektiva fordon med inriktning på hållbara och fossiloberoende fordon. Detta är den första utlysningen, som kommer att bli årlig.
Grafen höjer kapaciteten i litiumbatteri
article thumbnail29/6 Samsungforskare använde grafen i litiumjonbatterier med betydligt bättre volymkapacitet än dagens. Fordons- och mobilbatterier är möjliga tillämpningsområden den dag tekniken är kommersiellt redo.
Norska babyradarn får USA-representant
article thumbnail26/6 Norska Novelda har fått sin första säljrepresentant. Harper and Two ska marknadsföra norska företagets UWB-baserade sensorteknik Xethru i sydöstra USA.
Liten BLE-modul från Panasonic
article thumbnail26/6 PAN1740 är namnet på en Bluetooth LE-modul från Panasonic. Låg strömförbrukning och liten storlek ska göra den idealisk för exempelvis smarta klockor.
Eko-elektronik får europeisk standard
article thumbnail26/6 Livscykelanalys, produktkategoriregler och miljödeklarationer är grunden för en standard som den europeiska standardiseringsorganisationen Cenelec ska utveckla. Den blir gemensam för all elektrisk och elektronisk utrustning.
Kinesisk wifikrets säger sig vara snålast
article thumbnail26/6 35 års batteritid på ett AAA-batteri. Det säger kinesiska Rockchip att dess wifikrets RKi6000 ska kunna ge. Rockchip säger sig ha betydligt bättre strömförbrukning vid sändning än konkurrerande wifikretsar.
Westcomp: Inköparens förlängda arm
article thumbnail26/6 I en intervju i Elektroniktidningen för tio år sedan kallade vi Westcomp för ”Inköpsavdelningens förlängda arm”. Företaget jobbar fortfarande med samma upplägg. Det kallas ”kitting”, men företagets vd Ralf Haglund gillar egentligen inte beteckningen.
Webbförnyelse står för dörren för Bejoken
article thumbnail26/6 Bejoken började som en butik för radioamatörer. Idag är det tjänster som logistik och lagerhållning liksom personliga relationer som får framförallt mindre och mellanstora tillverkare att välja den Malmöbaserade komponentdistributören.
TMS: Eget lager och affärssystem bakom framgång
article thumbnail26/6 Låga priser på komponenter är förstås vad kunderna efterfrågar i första hand. Men därefter ska komponenterna levereras och här har tiomannaföretaget TMS med åren arbetat fram tryggande upplägg kring lagerhållning både för rullande produktion och långtidsförvaring. Kunderna kräver allt oftare båda.
Svenskar bygger fungerande hjärncell
article thumbnail26/6 En artificiell nervcell som kan kommunicera med mänskliga nervceller på samma sätt som dessa kommunicerar med varandra. Det har forskare vid Karolinska Institutet och Linköpings universitet byggt.
Electrolux stänger fabriken i Mariestad
article thumbnail25/6 Electrolux slutar att bygga kylskåp i sin fabrik i Mariestad. Istället flyttar verksamheten till Ungern av kostnadsskäl. Omkring 250 anställda berörs.
Tyskar vill ladda bilar med nya halvledare
article thumbnail25/6 3,9 miljoner euro lägger Tysklands regering på att ta reda på hur galliumnitrid och kiselkarbid ska kunna ladda elbilar effektivare. Och tystare.
Nokia vill se bilar rapportera vädret
article thumbnail25/6 Fordon längs vägarna är en utmärkt källa till information om väder och vind. Det tycker Nokia och föreslår protokoll för hur sensordata från fordon ska kunna tankas upp och lagras i molnservrar.
Fullt ljus på bästa LED-lamporna
article thumbnail25/6 Världens mest energieffektiva lampor är korade i den internationella tävlingen SEAD Global Efficiency Medal. Svenska Energimyndighetens testlabb har haft i uppgift att kontrollera tävlingsbidragen, där kinesiska lamptillverkare visat framfötterna.
Digi-Key stöttar liten som stor
article thumbnail25/6 För två år sedan gick startskottet för Digi-Keys massiva Europaerövring. Samtidigt gjorde företaget sin första anställning i Norden – Stefan Wihlgaard, bosatt i Stockholm med säljansvar för Norden och Baltikum. Sedan dess har försäljningen i regionen ökat kraftigt. Mellan 2013 och 2014 växte omsättningen enbart i Sverige med 27 procent – så i höstas anställde företaget ytterligare en säljare i regionen.

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
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