Annons

söndag 1 mars 2015vecka 9
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)

 

Nej till gräddfiler på USA:s Internet
article thumbnailfre USA:I ett historiskt beslut och under stormande applåder från publiken röstade den amerikanska telemyndigheten FCC ja till ett förslag om nätneutralitet – operatörer kommer inte längre att kunna blockera konkurrerande tjänsteleverantörer eller sälja förtur på Internet.
Bluetooth vill nätverka
article thumbnailfre Redan nästa år kan Bluetoothenheter komma att koppla upp sig i meshnätverk där meddelandena hoppar från enhet till enhet innan de når mottagaren. Nackdelen är en ökad energiförbrukning.
Tids- och spektrumanalys på samma skärm
article thumbnailfre Rohde & Schwarz oscilloskop i RTM-familjen har begåvats med ett tillval för frekvens- och spektrumnalys. Funktionen kommer väl till pass för avlusning av inbyggda system med trådlöst kommunikation.
Ericsson sätter in tunga artilleriet mot Apple
article thumbnailfre Apples mobiler ska bort ur butikshyllorna! Det kräver svenska Ericsson efter att ha misslyckats med att förnya Apples licenser för Ericssons mobilpatent. Dessutom kastar Ericsson in nya patent i konflikten som inte har med mobiltelefoni att göra.
Premiär för svensk miniladdare i Barcelona
article thumbnailfre Om tre dagar, på mässan Mobile World Congress i Barcelona, ska den svenska bränslecellstillverkaren MyFC visa upp sin senaste skapelse. Det handlar om världens minsta bränslecelladdare, enligt MyFC, som nu har världspremiär.
Stark tillväxt för Mouser i Europa
article thumbnailfre Webb- och katalogdistributören Mouser fortsätter sin framfart i Europa. Under förra året växte företaget med hela 41 procent i regionen. Samtidigt växte kundbasen med 28 procent, hävdar Graham Maggs, företagets marknadschef inom EMEA.
Lynx följer kunderna till ARM
article thumbnailfre EMBEDDED WORLD Lynx Software porterar sin hypervisor Lynx Secure och sitt operativsystem Lynx OS 7 till ARM.
Känner trycket, avslöjar höjden
article thumbnailtor Tyska Infineon har släppt en liten, energisnål och mycket noggrann trycksensor i mems-teknik. Sensorn siktar på en plats i framtida smarta accessoarer (wearables), mobiler liksom IoT-prylar där de bland annat ska bana väg för noggrann inomhusnavigation, gestigenkänning liksom väderövervakning.
Egna SiGe-kretsar lyfter Sivers IMA
article thumbnailtor Egenutvecklade kretsar i kiselgermanium ska öka tillförlitligheten samtidigt som kostnaden och effektförbrukningen sjunker i Sivers IMAs konvertrar för millimetervågsområdet.
Nytt hos IAR: statisk kodanalys
article thumbnailtor EMBEDDED WORLD Nu klarar de populära utvecklingsverktygen från uppsaliensiska IAR att göra statisk kodanalys – att hitta fel i källkod redan innan den kompileras. C-stat heter verktyget som steg för steg kommer att införas i alla varianter av IAR Embedded Workbench.
Elektron – som Arduino fast för M2M
article thumbnailtor Ett litet Arduinoliknande M2M-kort med billigt mobilabonnemang, det är vad amerikanska Spark just nu söker stöd för via Kickstarter. Trots att det är en månad kvar är kampanjen redan övertecknad tre gånger om.
Svenska forskare med potential att bli världsetta
article thumbnailtor När det europeiska forskningsrådet, ERC, avslöjar 2014 års utlysning av sitt Consolidator Grant till etablerade europeiska toppforskare är två knutna till tekniska universitet i Sverige. Cristian Sminchisescu, LTH, får 2 miljoner euro till sin forskning kring intelligent robotseende, medan Tünde Fülöp, Chalmers, får samma summa för att utveckla nya modeller av partikelacceleration i plasmor.
Atlas Copco köper tysk kalibreringsexpertis
article thumbnailtor Industriföretaget, Atlas Copco, med säte i Nacka, köper tyska Kalibriercentrum Bayern, specialist på kalibrering och tillhörande tjänster inom till exempel fordons- och flygindustrin. Affären ska vara slutförd under årets första kvartal.
Utveckla för makers-kort i webbläsaren
article thumbnailtor EMBEDDED WORLD Stoppa in Wyliodrins sd-kort i Raspberry Pi, Beaglebone eller Intel Galileo, anslut till Internet, logga in på Wyliodrins sajt och börja utveckla.
Uppköp med blandade känslor
article thumbnailtor Det är klart att huvudägarna har svårt att säga nej när det kommer ett bud som ligger 50 procent över börskursen och som gör dem till mångmiljardärer inte bara på papperet utan i riktiga pengar. Men för Sverige, Lund och alla anställda är det blandade känslor när Axis – en av landets verkliga framgångssagor – ser ut att hamna i japanska händer.
Amtele anställer i Göteborg
article thumbnailons Rf- och mikrovågsspecialisten Amtele har anställt Håkan Nilsson och får därmed ett kontor i Göteborg.
V som i validering
article thumbnailons Infiniium V är något så ovanligt om en oscilloskopfamilj för halvledarutveckling. Keysight har därför fokuserat på prestanda, prober och en rejäl analog bandbredd upp till 33 GHz.
Solenergi redo utmana kol och gas
article thumbnailons Redan år 2025 kommer solenergi att konkurrera ut kol och gas i soliga delar av världen, hävdar det tyska forskningsinstitutet Fraunhofer i en rykande färsk rapport. I Dubai håller världens största solpark på att ta form. Andra fasen av den planerade 1 GW-parken har just klubbats – en anläggning som producerar 200 MW ska byggas för under 50 öre per kWh.
Ericsson visar 5G i Barcelona
article thumbnailons Telekomjätten Ericsson har genomfört tester där en 5G-terminal sömlöst hoppar mellan ett LTE-nät och ett 5G-nät men också ökar datatakten genom att samtidigt vara uppkopplad mot två basstationer.
Testa kravspecifikationen automatiskt
article thumbnailons EMBEDDED WORLD Skriv upp logiska villkor som anger kraven på ditt system. Franska Argosims verktyg kan sedan verifiera att dina krav är konsistenta, entydiga och kompletta.

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
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