Annons

söndag 29 mars 2015vecka 13
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)

 

Pekskärmsmjukvara får sju miljoner
article thumbnailfre Statliga riskkapitalbolaget Inlandsinnovation investerar 7 miljoner kronor i Skellefteåföretaget Nuiteq som utvecklar mjukvara för pekskärmar. Nu planerar företaget att anställa fler.
Interdigital: därför bojkottar vi IEEE:s regler
article thumbnailfre ”Systemet kommer att kollapsa”. Det är varningen från Interdigitals vd Bill Merritt i ett öppet brev till wifi-standardorganisationen IEEE-SA angående den nya licenspolicy som väntas kraftigt missgynna Interdigital och andra patentägare.
Fjärde generationens städkrets
article thumbnailfre Med sina 2,0 x 3,0 mm är Gpak4 lätt att missa, men funktioner som spänningsövervakning, att återstarta systemet vid reset eller att helt enkelt vänta på att du som användare ska trycka på en knapp är uppgifter som Gpak4 gärna tar hand om.
Hedgefond vill tvinga fram högre bud på Axis
article thumbnailfre Den amerikanska hedgfonden Elliott har seglat upp som storägare i Axis. Fonden vill tvinga Canon att höja budet på Axis, skriver Wall Street Journal.
Nytt höjdrekord – 128 Gbit
article thumbnailfre Toshiba säger sig vara först med ett flashminne byggt i 48 lager som med två bitar per cell rymmer hela 128 Gbit per chip. Genom att bygga minnescellerna på höjden, tredimensionellt, går det att få in fler bitar per ytenhet vilket i sin tur sänker priset per bit.
3000 dollar bjudet för Hello Word
article thumbnailtor Sju stycken algoritmer, program och formler auktioneras ut för välgörande ändamål. Organisatören vill slå ett slag för att algoritmer ska betraktas som konstverk.
Dansk wifi-lampa testar lyckan på Kickstarter
article thumbnailtor En lysdiodsbaserad glödlampsersättare som du styr med mobilen, surfplattan eller klockan. Det försöker danska White Systems få stöd för på Kickstarter.
Allt fler DC-uttag i serverrummet
article thumbnailtor Nackaföretaget Netpower Labs var tidigt ute med att leverera likströmsdrift till serverhallar. Idag har konkurrenterna vaknat upp till likströmsdriftens fördelar, som Frankenstein efter ett blixtnedslag. Men Netpower hoppas att den erfarenhet och teknik företaget samlat på sig med åren, ska ge dem en fördel i konkurrensen.
Mentor: samoptimera krets, kapsel och kort
article thumbnailtor Om de som designar kretsen, kapseln och mönsterkortet kan byta information med varandra blir det enklare att skapa en optimal slutprodukt. Xpedition Package Integrator, XPI, är EDA-jätten Mentor Graphics lösning på problemet.
Samsungs batterilager i ABB:s mikronät
article thumbnailtor Små isolerade elnät, så kallade mikronät, är ofta beroende av en enda kraftkälla. Genom att komplettera nätet med en batteribank minskar sårbarheten och det blir enklare att addera förnybara kraftkällor.
Inemi stakar ut framtiden
article thumbnailtor På torsdag om två veckor presenterar branschorganisationen Inemi sin nya karta till framtiden vad gäller elektronikproduktion. Intresserade kan lyssna och ställa frågor på ett webbsänt seminarium.
De flesta svenska hushåll nås av fiber
article thumbnailons Mer än hälften av svenska hushåll skulle idag kunna ansluta sig till Internet via fiber. Gränsen passerades i fjol. Det visar PTS senaste kartläggning av Sveriges del av Internet.
Fords nya bil håller hastigheten
article thumbnailons Ett klick på en knapp på ratten säger åt Ford S-max att hålla hastighetsgränserna åt dig. Ford lanserar andra generationen av sin modell S-Max i veckan, och detta är en av nyheterna.
Sverige fördubblar solcellskapaciteten – för fjärde året i rad
article thumbnailons Vi installerar solceller som aldrig förr. I fjol blev det 36,2 MW vilket är nästan dubbelt så mycket som 2013 då det blev 19,1 MW. Miljön, ekonomin och självförsörjning är orsaker till att vi lägger pengar på solcellsanläggningar.
En heldag om radio och test
article thumbnailons Strålsäkerhetsmyndigheten, KTH, Örebro Universitet och tre instrumentleverantörer. Där har du laguppställningen för den heldag om radioteknik som konsultbolaget ÅF arrangerar den 21 april i Stockholm,
Liten kraftmodul som klarar sig själv
article thumbnailons För tio år sedan introducerade Linear Technology sin allra första DC/DC-modul, µModule. Sedan dess har flera familjer adderats till konceptet. Nu är det dags för ytterligare tillskott. Det handlar om två buck-boost-omvandlare som inkluderar det mesta som behövs i en liten BGA-kapsel.
DA-omvandlare för allt trådlöst
article thumbnailons En DA-omvandlare med fyra kanaler, 16 bitars upplösning, som samplar 2,4 Gsampel per sekund och dessutom har industrins bästa dynamiska omfång inom 100 MHz till 300 MHz-bandet – det är vad Analog Devices just säger sig ha lanserat. Omvandlaren är tänkt att ta plats i avancerade mellanfrekvenssändare.
TI-krets går upp från 16 till 32 bitar
article thumbnailtis Texas Instruments uppgraderar från en egen arkitektur med 16 bitar till en 32 bitars Arm Cortex M4F-kärna i lågeffektfamiljen MSP430. Det berättar Texas Instruments på en presskonferens för europeisk media i London idag.
70 GHz från Tektronix
article thumbnailtis 70 GHz bandbredd och 200 GHz samplingshastighet. Det nya oscilloskopet från Tektronix siktar in sig på snabb och koherent optokommunikation liksom forskare.
FCC stäms för nätneutralitet
article thumbnailtis FCC:s påbud om nätneutralitet bestrids redan innan reglerna ens hunnit träda i kraft. En liten internetoperatör och en stor organisation stämmer FCC från varsitt håll.

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

 

 
199 konsulter
Senast uppdaterad:
ESSIQ AB.
KOMMENTERAT
Kommentarer via Disqus

Annons
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