Annons

torsdag 23 oktober 2014vecka 43
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.
Annons
Annons

 

Eventuella läsarkommentarer finns längre ner (länk)

 

Flexande sensor tar tempen
article thumbnail10:20 Den är tunn, flexibel och masstillverkad. Muratas nya sensor är därför perfekt att integreras i textilier där man vill mäta temperaturen hos bäraren.
Mekaniken fortsätter tynga Partnertech
article thumbnail10:11 Kontraktstillverkaren Partnertech har god tillväxt i elektronikverksamheten medan metallbearbetningen och systembyggnationen fortfarande har problem. På sista raden blev det därför en förlust på tio miljoner kronor för årets tredje kvartal.
Malmö med IoT på agendan
article thumbnailigår I början av november är det dags för den nya konferensen IOT Sweden att slå upp dörrarna i Malmö. Fokus är sakernas internet och det är ett brett spann av talare från Oracle till svenska Svep Design Center.
I morgon sker första skarpa testet av förarlösa bilar
article thumbnailigår För första gången ska förarlösa bilar testas av allmänheten. Två autonoma golfbilar ska skjutsa besökare runt en park i Singapore. För säkerhets skull följer dock forskare efter ekipagen på elcyklar.
Svensk multifysik som app
article thumbnailigår Ta en färdig modell skapad med Comsols simuleringsprogram och förpacka den som en app, ett program där andra användare utan speciella förkunskaper kan justera parametrarna och sedan se vad som händer. Det är den största nyheten i version 5.0 av simuleringsprogrammet Multiphysics.
Powercell driver elbilen längre
article thumbnailigår Göteborgsföretaget Powercell har beviljats 7 miljoner kronor av Energimyndigheten för att utveckla ett bränslecellssystem avsett att öka räckvidden hos elfordon. Utvecklingen sker inom MoRE Zero-konsortiet, ett europeiskt samarbetet mellan fyra länder.
Kitron växer utanför Skandinavien
article thumbnailigår Kontraktstillverkaren Kitron växte med 10 procent under tredje kvartalet jämfört med samma period i fjol. Lyftet kommer framförallt från Litauen, Kina och USA.
165 nya miljoner till Thinfilm
article thumbnailtis Den norska familjeägda finansgruppen Ferd ska köpa 37,5 miljoner aktier i norska Thinfilm Electronics – det norska företag som utvecklar och volymtillverkar tryckt elektronik i Linköping. Aktierna motsvarar 7,3 procent av företaget.
DDR4-minne i 32 Gbyte-moduler
article thumbnailtis Samsung inleder tillverkning i 20 nm av en ny generation primärminne för servermarknaden. Minneschips på 8 Gbit byggs samman till DDR4-moduler på 32 Gbyte.
FCC vill se 10 Gbit/s i luften
article thumbnailtis Den amerikanska regleringsmyndigheten FCC känner att tiden är mogen för industrin att utveckla teknik för trådlös kommunikation med gigabithastighet, och att nyttja frekvenser över 24 GHz.
Starkt kvartal av Note
article thumbnailtis Kontraktstillverkaren Note redovisar idel positiva siffror för årets tredje kvartal. Omsättning, rörelseresultat och resultatet efter skatt lyfte ordentligt jämfört med samma period i fjol.
Pilen pekar på störsändaren
article thumbnailtis Sätt antennen på biltaket, slå på spektrumanalysatorn och kicka igång programmet på plattan eller datorn. Sen är det bara att köra iväg och leta upp störsändarna. Systemet kommer från Anritsu och ska göra livet enklare för operatörer, myndigheter och andra som vill undersöka frekvensspektrum.
Rekord: Chalmers skickar 40 Gbit/s trådlöst
article thumbnailtis Ericsson och Chalmers  har lyckats överföra 40 Gbit/s i 140 GHz. Det är dubbla datatakten mot det tidigare världsrekordet. Man använde egenutvecklade kretsar i indiumfosfid.
Net Insight ändrar i toppen
article thumbnailtis Martin Karlsson tar över som teknikchef på nätverksföretaget Net Insight, efter fyra år i företaget. Han tar över positionen från Per Lindgren, som under de senaste åren kombinerat CTO-rollen med att vara affärsutvecklingschef.
Nytt standardbibliotek för datorseende
article thumbnailtis Idag släpps version 1.0 av Khronosstandarden OpenVX. Genom den blir mjukvara för smart bildanalys mindre beroende av vilken typ av hårdvara den körs på.
MDH får energifokuserad elektronikutbildning
article thumbnailmån ABB, Bombardier, Mälarenergi och Westinghouse hjälper Mälardalens högskola att ta fram en ny utbildning i elektroteknik. Drivkraften är regionens behov av ingenjörer med kunskap i energieffektivitet.
KTH-ubåten Carl är billig och flexibel
article thumbnailmån Forskare på KTH har utvecklat en liten, obemannad, batteridriven ubåt, tänkt att dyka ner i havet för att utforska det andra tidigare inte kunnat eller velat. Kostnad och flexibilitet är en röd tråd i forskarnas långsiktiga arbete.
220 km/h utan förare
article thumbnailmån En förarlös Audi RS7 på 560 hästkrafter har demonstrerat sina racingfärdigheter inför publik. Den är snabbare än du, men fortfarande chanslös mot proffsförare.
BEKRÄFTAT: IBM ger upp halvledartillverkningen
article thumbnailmån IBM låter Globalfoundries ta över företagets olönsamma chipstillverkning. Det meddelar företagen idag.
Svensk minihelikopter får export-nej till Kina
article thumbnailmån Linköpingsföretaget Cybaero, som utvecklar och tillverkar obemannade helikoptrar, har fått avslag på sin ansökan om att exportera civila helikoptersystem till kinesiska Avic. Företaget planerar att ansöka ytterligare en gång.

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

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