lördag 2 juli 2016vecka 26
Annons
fb
STARTSIDA Internet of Things Embedded Power Energi Distribution Fordon Kommunikation Medicin Komponenter Produktion Test & mät Technical Papers

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.
Annons
Trevlig sommar önskar Elektroniktidningen!
article thumbnailons Nu tar vi sommar. Vi återkommer med dagliga nyhetsbrev den 3:e augusti.Ha en riktigt skön sommar!
Första talaren till höstens Embeddedkonferens spikad
article thumbnailons Är digitaliseringen den fjärde industriella revolutionen? Det är temat för Tomas Lagerbergs inledningsanförande på Embedded Conference Scandinavia i Kista i november. Tomas Lagerberg är chef för ABB:s automationsforskning i Sverige.
Sats för magnetisk kompetens
article thumbnailons Amerikanska Coilcraft har utvecklat en labbsats med fokus på högfrekventa magnetiska komponenter. Med den nya satsen vill företaget erbjuda praktisk vägledning i klassrum och undervisningslabb.
Axplock från Almedalen
article thumbnailons Hållbar produktion, självkörande bilar, robotarna som tar över politik och en hisnande resa genom rymden i sällskap med bland annat astronauten Christer Fuglesang. Det är bara några lockelser från Almedalsveckan 2016 på Gotland, med start söndagen den 3 juli.
Anna Wennberg: Arrow vill välja egen väg
article thumbnailons För 27 år sedan publicerade föregångaren till Elektroniktidningens den allra första Komponenttoppen. Sedan dess har vi år efter år rangordnat de 30 företag som säljer mest elektronikkomponenter i Sverige. En övning vi förstått varit uppskattad läsning.
Han skapar tillväxt med företag som pusselbitar
article thumbnailons När föregångaren till Addtech köpte privat-ägda Aratron för 34 år sedan kom Anders Claeson med på köpet. Då arbetade han som säljande ingenjör. 
Idag är han chef över affärsområdet Addtech Components, ett paraply över mer än 40 självständiga dotterbolag. Strategin är att bygga ett heltäckande pussel inom vissa segment av ganska små företag som har spetskompetens inom sitt gebit, 
är i ”världsklass” inom sin region och kan utvecklas vidare.
Codico ger Broadband muskler
article thumbnailons Demand creation eller behovsskapande försäljning. Där har du kärnan i Broadband och samtidigt länken till österrikiska Codico som förvärvade den svenska komponentdistributören i november förra året.
Svensk gassensor får draghjälp
article thumbnailtis Göteborgsföretaget Insplorion får 2,8 miljoner kronor av Stiftelsen för miljöstrategisk forskning, Mistra, för vidareutveckling av gassensorer för mätning av luftkvalitet. Utvecklingen ska ske i nära samarbete med Chalmers.
Ericsson opererar på distans
article thumbnailtis Med 5G krymper fördröjningarna i mobilnäten till under en millisekund, tillräckligt kort för att få haptisk återkoppling med realtidskänsla. Tillsammans med Kings College i London har telekomjätten tagit fram en demo där en läkare kan diagnosticera och operera på distans med hjälp av mobilnätet.
Nej till lagförslag om självkörande bilar
article thumbnailtis 2017 finns 100 självkörande personbilar i Göteborg via Volvo Car Groups initiativ Drive Me. Men för att Volvo ska kunna testa sina självkörande bilar i verkliga situationer krävs lagändringar. Igår sa Datainspektionen nej till ett aktuellt lagförslag.
Fler företagskunder målet för Conrad
article thumbnailtis Den tyska distributören Conrad är nog mest känt som ett ”jätteclas­ohlsson” trots att många av de 700 000 produkterna i katalogen är komponenter, inbyggnadskort, styrsystem, kablage, 3D-skrivare och produktionsutrustning, saker som i första hand riktar sig till företagskunder. För att få fart på försäljningen till just företag anställdes nyligen en dedikerad säljare på det nordiska kontoret i Malmö.
5 minuter Ljupce Talevski: Europamästare i reparation av kretskort
article thumbnailtis Ljupce Talevski är flitigt förekommande på svenska och utländska tävlingar i hand­lödning. Han älskar elektronik och kan inte tänka sig att arbeta med något annat.
Huawei adderar 5G-ansvar i Göteborg
article thumbnailmån Den kinesiska telekomjätten Huawei utökar uppdraget för verksamheten i Göteborg. Det är regionens kompetens inom mikrovågs- och antennteknik som fällt avgörandet.
Konstruktionssats för kraft
article thumbnailmån Med konstruktionssatsen Power Management Lab Kit vänder sig Texas Instruments både till studenter och industri. Alla elektroniksystem behöver kraft, menar företaget när det släpper den nya serien labbsatser som ger praktisk vägledning inom power management med fokus på systemnivå.
Första modulen för NB-IoT
article thumbnailmån För två veckor sedan frystes specifikationen för NB-IoT, en del i den nya LTE-standarden som öppnar för smalbandiga och energisnåla IoT-tillämpningar. Schweiziska u-blox är först med att lansera en modul för NB-IoT även om kunderna får vänta till slutet av året på de första exemplaren.
Utbildning – passé eller nödvändig?
article thumbnailmån I dagens samhälle spelar utbildning en allt viktigare roll. I en global värld med växande antal välutbildade och med en större tillgänglighet på information hårdnar konkurrensen i alla avseenden. I länder som Kina betraktas utbildning som något vitalt. Inte bara för vem man är, men även för en själv och ens familjs framtid. En biljett till en bättre sådan.
Arrow stöder IoT-entreprenörer på Indiegogo
article thumbnailmån Om du presenterar en intressant IoT-idé på gräsrotsfinansieringssajten Indiegogo, kan du få gratis lift med distributören Arrow från start till mål – ända från utvärdering av produkt till marknadsföring.
Så vill distributörerna bli din IoT-allierade
article thumbnailmån Elektroniktidningen har kollat upp vilken typ av stöd distributörer  erbjuder för att locka till sig klienter inom området Internet of Things.
Volvo har fått snurr på hjulen
article thumbnail23/6 Igår drog Volvo Cars igång serietillverkning av nya V90. Därmed tillverkar företaget samtliga 90-modeller i Göteborg, i Torslandafabriken. Den egenutvecklade SPA-arkitekturen ligger bakom succén, som gjort att företaget på två år nära fördubblat antalet anställda – en utveckling som  väntas fortsätta.
Häng med IoT Sverige
article thumbnail23/6 IoT som löser samhällsutmaningar inom offentlig sektor. Det är den första satsningen IoT Sverige beslutat om. Vill du hänga på? I så fall är det hög tid att agera. Sista ansökningsdag är den 31 augusti i år.

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
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