Annons

tisdag 1 september 2015vecka 36
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)

 

Ericsson lanserar IoT-anpassad programvara
article thumbnail14:03 Batterilivslängder på tio år, 20 dB bättre mottagning inomhus och 60 procent lägre pris på IoT-enheter – det hoppas Ericsson på när företaget lanserar LTE- och GSM-teknik anpassad för Internet of Things. Lösningarna ska bli grundpelare i företagets 5G-plattform.
Ytmonterad IR-modul för friluftsaktiviteter
article thumbnail12:37 Om IR-modulen går att ytmontera tillsammans med övriga komponenter blir produktionen enklare och därmed billigare. Budskapet kommer från franska Ulis som tagit fram en liten IR-modul med 384x288 bildpunkter för bland annat friluftsaktiviteter.
Första E-bandskonvertrarna med Sivers egna kretsar
article thumbnail10:56 Produkterna hade smygpremiär på Mobile World Congress i Barcelona i februari men först nu startar den kommersiella produktionen. Det handlar om konvertrar för E-bandet som innehåller Sivers IMA:s första egenutvecklade kretsar i kiselgermanium.
Ny vd på Arccore
article thumbnail10:08 Michael Odälv blir vd för göteborgska Arccore‚ som implementerar fordonsstandarden Autosar i öppen källkod. Närmast kommer han från Can-specialisten Kvaser.
Prevas gör Risifrutti effektivare
article thumbnail9:32 När Orkla Foods ska effektivisera sin tillverkning av Risifrutti i Örebro är det Prevas som får uppdraget. För drygt 3 miljoner kronor ska inbyggnadskonsulten nu modernisera tre tillverkningsprocesser.
Ett steg mot standardiserade fordonsdata
article thumbnail8:15 Bilar och andra fordon genererar massvis med sensordata som dessutom kommer att laddas upp till molnet i takt med att fordonen blir uppkopplade. Om informationen ska kunna användas för att minska antalet olyckor krävs en standard för sensordata. Den finska karttjänsten Here har tagit ett initiativ på området.
Version 2.0 av typsnitt för källkod
article thumbnailigår Det måste vara en tydligt skillnad mellan siffran ”0” och bokstaven ”O”. Det är ett de  bivillkor som typsnittet Hack uppfyller. Det är avsett för källkod och släpps nu i version 2.0.
Europa återvinner för lite elektronik
article thumbnailigår Bara en tredjedel av den uttjänta elektroniken i Europa samlas in och återvinns på korrekt sätt visar en rapport från FN och Interpol. Sverige och Norge är bäst med 85 procent. I botten återfinns Rumänien, Spanien och Cypern med 20 procent.
TSMC stoppar solcellssatsning
article thumbnailigår Från i morgon slutar det taiwanesiska Foundry TSMC att tillverka tunnfilmssolceller för gott. Det är företagets jättesatsning på solcellstillverkning, genom dotterbolaget TSMC Solar, som tvingas kasta in handduken.
Förlänger livet hos din accessoar
article thumbnailigår En minimal spänningsomvandlare som påstås ha industrins högsta effektivitet vid låg last är vad Analog Devices just lanserat. Utan last drar den mycket låg ström, vilket enligt företaget gör den som klippt och skuren för att driva bärbara accessoarer och trådlösa sensornät.
USA satsar på flexibel elektronik
article thumbnailigår 1,4 miljarder kronor satsas på det amerikanska industrikonsortiet Flextech Alliance som ska utveckla en produktionskedja för sträckbar och böjbar elektronik. Satsningen leds av landets försvarsdepartement och sker tillsammans med 162 amerikanska företag, labb, universitet och ickevinstdrivande organisationer.
Låtsas vara solcell
article thumbnailigår För den som utvecklar invertrar till solpaneler är Keysights solpanelssimulator en intressant nyhet. Instrumentet emulerar spänning och ström från en solpanel under olika driftsförhållanden och underlättar utvecklingsarbetet.
Svenskt operativsystem ska ströva i kosmos
article thumbnailfre 630 000 euro är ordervärdet på en beställning som svenska mjukvarubolaget Enea just fått från ett ryskt företag. Eneas realtidsoperativsystem OSE ska användas i en europeisk rymdexpedition.
Contiki 3.0 breddar hårdvarustödet
article thumbnailfre TI Sensortag och Zolertia ReMote är två nya plattformar som stöds av det svenska öppenkods-IoT-operativsystemet Contiki.
Tala på elmiljökonferensen!
article thumbnailfre Är du duktig på EMC, ESD, energilagring eller miljötålig elektronik och vill dela med dig av dina kunskaper? Då ska du tala på EE 2016 som arrangeras parallellt med branschmässan SEE i april nästa år.
Intel investerar halv miljard i fotokoptrar
article thumbnailfre Små elektriska fotograferande rotordrönare från det Hongkong-baserade företaget Yuneec kommer snart att styras av Intelprocessorer. Detta efter en stor investering från Intel Capital.
Lundabolag kopplar upp apparaterna över LTE
article thumbnailfre Nästa version av LTE ger inte bara högre datatakter till smartmobilerna, den ger också helt nya möjligheter att koppla upp apparater via mobilnätet. Nystartade Lundabolaget Mistbase ska utveckla komponenter för LTE MTC som den nya standarden döpts till.
Henrik tar tempen på elfordonsbatteriet
article thumbnailfre Kylningen inuti själva batteriet är en viktig faktor som påverkar säkerhet, livslängd och prestanda hos litiumjonbatterier. Det har KTH-forskaren Henrik Lundgren visat i samarbete med Scania. Nu bygger Scania vidare på forskningsresultatet.
OEM köper tejpspecialist
article thumbnailfre Distributören OEM har köpt ATC Tape Converting som bland annat säljer tejper till elektronikindustrin.
Trippelvinst för svensk LED-belysning
article thumbnailtor Aura Lunaria från svenska Aura Light tog förstaplatsen i tävlingen om världens mest energieffektiva kontorsbelysning, SEAD Global Efficiency Medal. Dessutom fick den två regionala priser, en för den europeiska och en för den australiensiska marknaden.

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
Annons
Annons
Annons
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