söndag 29 maj 2016vecka 21
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
Elektronikkonsult breddar med miljötjänst
article thumbnailfre Har du koll på vad dina elektronikprodukter innehåller för olika ämnen? Om inte kan det bli dyrt. Och i värsta fall får du inte sälja din produkt. Nu lanserar Elektronikkonsult en tjänst som hjälper dig att sammanställa all nödvändig information.
Ger hög ström ur minimalt format
article thumbnailfre En DC/DC-omvandlare som hanterar fyra gånger högre strömtäthet än alternativen. Det är vad Texas Instruments påstår sig ha utvecklat. Den har en ny topologi som kan hantera hög switchfrekvens, vilket bäddar för liten storlek på både omvandlare och passiva kringkretsar.
IP-telefoni har passerat fast telefoni
article thumbnailfre Post- och telestyrelsens rapport för 2015 visar att IP-telefonin växte med 7 procent och därmed passerade fast telefoni räknat i i antalet abonnemang.
Från varmvitt till kallvitt
article thumbnailfre Anpassa belysningen efter olika situationer och behov. Uppmaningen kommer från det svenska belysningsföretaget Aura Light som lansera tre armaturer med styrbar färgtemperatur på det vita ljuset.
Leab uppgraderar med Mycronic
article thumbnailfre Kontraktstillverkaren Leab köper en ny ytmonteringsmaskin till fabriken i Lövånger. Leverantör är svenska Mycronic.
Ny dom: Googles Java är en skälig piratkopia
article thumbnailfre Oracle ville ha 77 miljarder kronor i skadestånd men fick ingenting. Googles användande av gränssnitt till 37 stycken Javabibliotek räknas som skäligt bruk. Det fastslog en jury i San Francisco i går.
Vem bjuder 15 miljarder dollar för Xilinx?
article thumbnailtor Efter Intels köp av Altera förra året har det av och till spekulerats i att även FPGA-jätten Xilinx ska bli uppköpt. Den här gången är det Qualcomm och Broadcom som pekas ut som tänkbara spekulanter.
Direktsamplar snabbare än andra
article thumbnailtor Texas Instruments har lanserat en 14-bitars AD-omvandlare som samplar i 3 GSa/s. Företaget hävdar att det är industrins första i sitt slag och den bäddar för enklare systemlösningar kring direkt rf-sampling.
Göteborg får Lora-nät
article thumbnailtor Umeå blev först i Sverige med ett stadstäckande IoT-nät av typen Lora. Nu hakar Tele2 på den heta trenden med sakernas Internet och bygger ett nät i Storgöteborg som ska vara klart i höst.
Tummen upp för Chalmers och trådlöst
article thumbnailtor I höstas öppnade Vinnova en ny utlysning med syfte att skapa kompetenscentrum inom forskningsområden som är viktiga för Sveriges framtida konkurrenskraft. Inom den riktade utlysningen har nu fem centrum beviljats medel. Två med Chalmerssäte: Chase och Gigahertz Centrum.
Stilla din nyfikenhet på tryckt elektronik
article thumbnailtor Den 8 september bjuder forskningsbolaget Acreo in till öppet hus på Printed Electronics Arena i Norrköping.
Exo-ben vann Skapas gillande i Gävle
article thumbnailtor Det blev Usman Haider som vann regionfinalen i Gävle av Skapatävlingen. Hans exo-ben ska hjälpa gamla och rörelsehindrade att klara sin vardag bättre. Priset är 15 000 kronor och en plats i riksfinalen i höst.
Partnertech i Karlskoga köpt av Karlskogabolag
article thumbnailtor Förra året köpte finska Scanfil den svenska kontraktstillverkaren Partnertech. För drygt två veckor blev det klart att det finska företaget sälja samtliga aktier sitt dotterbolag Partnertech Karlskoga. Nu är det klart att Karlskogaföretaget Permec Group tar över som ägare. Närmare 30 procent av personalen har dock varslats, enligt nwt.se
En flygande värmekamera och termometer
article thumbnailons Inspektioner av tak, kraftledningar, odlingar eller infrastrukturanläggningar är några av uppgifterna i blickfånget för Flirs nya värmekamera anpassad till drönare. Förutom att skicka ned realtidsvideo mäter Vue Pro R temperaturen för varje bildpunkt och sparar i minnet.
Microsoft ger upp mobilerna
article thumbnailons För en vecka sedan blev det klart att Microsoft säljer tillbaka varumärket Nokia på mobiltelefoner till Finland. Nu meddelar IT-jätten att företaget lägger ned den resterande hårdvaruutvecklingen inom mobilområdet med 1850 anställda.
Hur många ska Nokia sparka?
article thumbnailons Blir det 10 000 eller kanske 15 000 personer som får lämna den finska telekomjätten? Spekulationerna har tagit fart sedan nyhetsbyrån Reuters pratat med fackliga företrädare. Från ledningen är det locket på.
Kapsling för elcentraler till Raspberry Pi
article thumbnailons RPI-BC är enligt Phoenix Contact den första kapslingen för normcentraler som är utvecklad för Raspberry Pi. Därmed blir det enklare att använda datorkortet i ett tidur eller för att styra strömmen till exempelvis utomhusbelysningen.
Signalgenerator för alla behov
article thumbnailons Den fungerar som enkel signalgenerator men kan också generera sekvenser av komplexa vågformer för exempelvis LTE och radartillämpningar. AWG4000 från Tektronix säger sig klara alla behov som finns i labbet.
SMA-kontakten som kan bytas i fält
article thumbnailons Det behövs inga pressverktyg eller lödutrustning för att byta brittiska Intelliconnects nya SMA- och 2,9 mm-kontakter. Trots det ska de ha samma egenskaper som dagens kontakter som löds fast på kablarna, lovar företaget.
Kreditkortsstor mikrovågsvärmare
article thumbnailtis För en vecka sedan släppte NXP en transistorbaserad modul för mikrovågsugnar. Nu kommer konkurrenten Ampleon med motsvarande produkt men i ett mindre format. Kortet är 80x40 mm och levererar upp till 250W vid 2,4-2,5 GHz, perfekt för att värma mat i mikron och i industriella tillämpningar, enligt Ampleon.

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
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