Annons

lördag 23 maj 2015vecka 21
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 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
Annons

 

Eventuella läsarkommentarer finns längre ner (länk)

 

Formell verifiering som app
article thumbnailigår Samtidigt som Infineonavknoppningen Onespin firar tio år så lanserar företaget en plattform som ger kunder utan ingående kunskaper i formell verifiering möjligheten att utveckla en app för formell verifiering av ett problem inom just deras tillämpningsområden.
Plockar ner mikrovågor effektivt
article thumbnailigår En liten fyrkanalig nedkonverterare för 24 GHz-mottagare är vad Analog Devices just lanserat. Kretsen kommer i en plastkapsel och har enligt företagen en brusfaktor och energiförbrukning som slår konkurrenterna på fingrarna.
Så byggdes världens snabbaste bitcoinburk
article thumbnailigår Även konkurrenterna var duktiga på att göra asicar. Men de var inte lika duktiga på strömförsörjning. Det berättar svenska KNC Miners chefskonstruktör Michael  Unnebäck i ett fullsatt seminarium på mässan Elektrikexpo i Västerås.
Taiwanesiskt fläktlöst Braswellkort
article thumbnailigår Butikssystem, tunna klienter, skrivare, inbyggnads-pc och medicinska instrument – det är några tillämpningsområden för datorkortet EBM-BSW från Avalue. På kortet sitter en processor ur Intels familj 14 nm-familj N3000, också känd som Braswell.
Första fasen för svensk vågkraft i Ghana
article thumbnailigår Ett ställverk på en strand söder om Ada i Ghana står nu kopplad till sex vågkraftaggregat. Kraftverket kommer från svenska Seabased och ska leverera 14 megawatt när det står klart.
Blir elbilar ett bullerproblem?
article thumbnailigår Idag glider de fåtaliga elbilarna fram nästan ljudlöst så länge det handlar om lägre hastigheter men från 2019 kan det vara slut med tystnaden. Då måste alla eldrivna fordon som säljs vara utrustade med ett varningssystem som avger ljud vid lägre hastigheter. Beslutet kommer från EU-parlamentet och ska minska antalet olyckor.
Huawei lanserar IoT-plattform
article thumbnailigår En gateway, en kontroller och ett operativsystem med litet fotavtryck för ändnoder – det är komponterna i Huaweis nylanserade plattform för uppkopplade inbyggda system. Agile Network 3.0 lanserades på Huawei Network Congress 2015 i Peking.
Världens minsta antenn
article thumbnailtor Med sina 1,0 x 0,5 x 0,5 mm är Weii världens minsta antenn. Påståendet kommer från brittiska Antenova som vill se antennen i produkter med Bluetooth, wifi, Zigbee eller proprietära radioprotokoll.
Signalhunden får kompis
article thumbnailtor En liten signalgenerator för rf-signaler upp till 2,5 GHz som kompletterar spektrumanalysatorn Signal Hound. Det är senaste produkten från företaget med samma namn.
ABB startar robotfabrik i USA
article thumbnailtor Kraft- och automationsföretaget ABB har invigt en fabrik för tillverkning av industrirobotar i USA. Företaget säger sig vara först av de globala robottillverkarna med en lokal fabrik i Nordamerika.
Forskningslabb för exakt position öppnar i Lund
article thumbnailtor Lund Positioning Lab är namnet på ett forskningslabb inriktat mot positionering som nu slår upp dörren inom forskningsinstitutet Mapci i Lund. Här ska all positioneringsinriktad forskning vid Lunds universitet samlas och härifrån ska det lokala näringslivet stöttas. I ett första projekt siktar forskarna på inomhusnavigering med extremt hög noggrannhet.
USA: Kina stjäl teknik från Avago och Skyworks
article thumbnailons USA:s regering åtalar sex kinesiska medborgare för att ha stulit affärshemligheter från de amerikanska elektronikföretagen Avago och Skyworks. En av dem har gripits. USA hävdar att Kinas regering ligger bakom spionaget.
Bränslecell tar plats i energihus
article thumbnailons Göteborgsföretaget Powercell ska levererar sitt bränslecellssystem till ett självförsörjande lågenergihus i Angered, Göteborg. Enligt företaget handlar det om en genombrottsorder för denna typ av energismarta hus.
Elektronikexpo växer exponentiellt
article thumbnailons Från 25 utställare i fjol till 45 i år. Mässan Elektronikexpo låg under sina första år under ett dussin utställare, men i fjol skedde en dubblering och i år kan det hända igen.
Svensk vattendrake får nyckelroll inom marin energi
article thumbnailons 112 miljoner kronor av EU-fonder – det satsar Wales regering på  energiteknikföretaget Minesto i Göteborg, som är ensamt i världen att kunna alstra energi ur relativt långsamma vattenströmmar. Med pengarna ska en tidvattenkraftpark som kan leverera el till 8 000 hushåll byggas.
Rysk x86-kompatibel fyrkärna i volym
article thumbnailons MCST (Moscow Center of SPARC Technologies) tar nu beställningar på Elbrus 4S, en fyrkärnig processor på 800 MHz i arkitekturen Elbrus 2000. Den tillverkas i 65 nm och är avsedd för pc och server.
Gratisverktyg för makers
article thumbnailons Ett par månader senare än utlovat kan den som är nyfiken börja testa Circuitmaker, Altiums fria kretskortsverktyg för hobbyprojekt och makers.
En kraftkälla för dina accessoarer
article thumbnailons Tunn som en tepåse men ändå med kraft för att driva smarta prylar i dina kläder eller i ditt hem. Det handlar om en ny superkondensator från Cap-XX som bara är 0,6 mm tunn och tänkt att komplettera små batterier tillverkade med tunnfilms- eller halvledarteknik, men också knappceller och energiskördande lösningar.
Tysk mobilnätsgateway på Picprocessor
article thumbnailtis Pingpong från Round Solutions låter dig koppla upp allt från oljetankers till sopcontainrar mot Internet. Hjärnan är en 32-bitars Pic-processor med mjukvara för sensorläsning, varuspårning, säkerhet, telemetri och andra IoT- och M2M-tillämpningar
IBM har kiselfotonik för 100 Gbit/s-länkar
article thumbnailtis IBM har integrerat elektronik och fotonik på ett chip på ett sätt som kommer att möjliggöra strömsnål optisk kommunikation i 100 Gbit/s i i molnservrar och superdatorer. En milsten inom kiselfotoniken, enligt företaget.

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

 

 
Svenska elektronikkonsulter
200 företag
Senast uppdaterad:
Eldevice AB i Göteborg.
KOMMENTERAT
Kommentarer via Disqus

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