Annons

tisdag 23 september 2014vecka 39
Annons
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.

 

Eventuella läsarkommentarer finns längre ner (länk)

 

Ericsson köper moln
article thumbnailigår Telekombolaget Ericsson köper en majoritetsandel i amerikanska Apcera, som utvecklar molntjänster till företagskunder.
Mediatek anropar alla IoT-makare
article thumbnailigår Hårdvara, utvecklingsverktyg, dokumentation och supporttjänster för utveckling av elektroniska accessoarer och Internet of Thingsprodukter. Det lanserar taiwanesiska halvledartillverkaren Mediatek.
Det slår gnistor om SP:s nya högspänningshall
article thumbnailigår På torsdag inviger det statliga forskningsinstitutet SP sin nya högspänningshall i Borås där det går att generera och mäta spänningar upp till 1 miljon volt med en noggrannhet på 0,005 procent.
Sömnhörlur tävlar mot båtlarm och nervdiagnos
article thumbnailigår För tredje året i rad har kontraktstillverkaren Inission utsett tre finalister i företagets tävling där vinnaren får hjälp med produktifiering och tillverkning.
Svensk forskning för effektivare batterier
article thumbnailigår I ett femåriga forskningsprojektet ska Mittuniversitet och KTH i gemensam regi utveckla kostnadseffektiva litiumbatterier för fordon. Energimyndigheten finansierar projektet.
Mastigt ECS-program
article thumbnailfre Årets upplaga av den svenska inbygggnadskonferensen ECS sätter rekord i antal seminarier och presentationer.  Elektroniktidningen försökte göra en programöversikt, men gav till slut upp inför volymen. Vi kan dock ge dig länkar till hela programmet.
I morgon startar världens snålaste elbilsrally
article thumbnailfre Årets elbilsrally, Oresund Electric Car Rally, har lockat rekordmånga deltagare. Trots att maxgränsen på 60 ekipage höjts till 70 är rallyt fullbokat sedan många veckor. I morgon går starten i Köpenhamn. På söndag eftermiddags når bilarna förhoppningsvis målet i Malmö.
Mörkersyn och förarövervakning allt vanligare i bilar
article thumbnailfre Från nu och fram till 2019 kommer marknaden för system för mörkerseende (NVS) och förarövervakning (DMS) i personbilar att växa med 18 respektive 16 procent årligen. Det spår analysföretaget Research and Markets.
Chalmers sår frö till mångsidig hushållsrobot
article thumbnailfre Ett forskarteam i Göteborg – världsledande inom sitt gebit – har skapat ett datorprogram som kan anpassas att lära sig lösa problem inom många olika områden. Forskarnas strategi har varit att grovt försöka härma hur intelligens utvecklas hos barn.
Henkel köper Bergquist
article thumbnailfre Tyska Henkel köper amerikanska Bergquist och stärker därmed sin position inom limmer och värmeledande material.
Energieffektiva hus = dålig mobiltäckning
article thumbnailfre Nybyggda hus blir allt energieffektivare men en bieffekt är att de också stänger ute mobilsignalerna. Forskningsbolaget Acreo har därför fått i uppdrag att titta på vad som kan göras utan att ge avkall på energieffektiviteten.
Ericsson startar F&U inom radio i Lund
article thumbnailtor En konsekvens av Ericsson beslut att dra sig ur modemmarknaden blir att Lund får ett nytt forsknings- och utvecklingscentrum för radioteknik med ungefär 500 anställda.
MTT breddar med värmedesign
article thumbnailtor Distributören MTT Design and Verification ska sälja samt ge teknisk support av det brittiska CAD-verktyget 6SigmaET som bland annat kan används för att lösa värmeproblem i elektronik.
Minix 3 stöder ARM
article thumbnailtor Experimentellt stöd för Armprocessorer har demonstrerats åtminstone sedan början av 2013, men med version 3.3.0 av Minix 3 kommer det första skarpa stödet, närmare bestämt för Cortex A8 i Texas Instruments utvecklingskort Beagleboard och Beaglebone.
Allt du vill veta om FPGA:er men varit för feg för att fråga
article thumbnailtor Känner du någon som borde veta vad en FPGA är? Och vad den kan användas till. Eller har du själv kunskapsluckor? Då kan eboken ”FPGAs For Dummies” vara något för dig.
ECE nu för 60 watt
article thumbnailtor Kraftspecialisten XP Power säger sig ha branschens minsta kapslade 60 watt AC/DC-omvandlare för kretskortsmontage. Dess effekttäthet överstiger 10 watt per kubiktum, hävdar företaget.
Ericsson ger upp modemen
article thumbnailtor Telekomjätten Ericsson siktade på att bli trea på tunna LTE-modem. Men den tuffa konkurrensen tvingar företaget att kasta in handduken.
Klar att löda på tio sekunder
article thumbnailtor Komponentdistributören RS Components har ett mycket stort sortiment med produkter som säljs under eget varumärke. Nu kompletterar företaget utbudet med en lödstation som är klar att använda 10 sekunder efter start.
Freescales andra hjärnkontor franskt
article thumbnail17/9 Revolutionerande material, kapslingsteknik, system och mjukvara. Det är teknik som kommer att utvecklas åt Freescale i Toulouse, Frankrike – ta i trä.
Schweizisk klockexpertis får hjärtat att slå
article thumbnail17/9 Schweizare är världsberömda för sina armbandsur. Nu har schweiziska forskare visat att samma teknik som används för att ur rörelse alstra energi till en klocka i framtiden kan hålla liv i personer med hjärtproblem – så länge hjärtat slår.

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

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