Annons

söndag 23 november 2014vecka 47
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.
Annons
Annons

 

Eventuella läsarkommentarer finns längre ner (länk)

 

Välj mellan varmt och kallt
article thumbnailfre Det har funnits avstämbara vita lysdioder förut men taiwanesiska Everlight har en egenutvecklad teknik som är kompaktare.
Ericssons patenttroll sluter fred med Google
article thumbnailfre Patentkonsortiet Rockstar – Apple, Ericsson, Microsoft, Sony och RIM – blåser av striden mot Google ett år efter konsortiets stämning. Det framgår av ett domstolsdokument. Avtalet tycks även omfatta flera av Googles Androidpartners.
ABB-chef hyllas av KTH
article thumbnailfre Johan Söderström, vd för svenska ABB, får KTH:s guldmedalj i industrisamverkan. Hans nyskapande ledarstil och mycket stort engagemang i att bygga starka relationer mellan den akademiska världen och näringslivet har stor del i denna utmärkelse.
Ambitiös tillväxtplan hos Mycronic
article thumbnailfre Laserritar- och ytmonteringsbolaget Mycronic vill öka omsättningen från 1,2 miljarder till 2 miljarder inom tre till sex år, ett mål som inte kan nås utan förvärv. Men om det är kompletterande verksamhet eller någon konkurrent ledningen siktar på fick deltagarna på företagets kapitalmarknadsdag igår inga besked om.
Nätkurs för dig som är nyfiken på grafen
article thumbnailfre I början av 2015 startar Chalmers sin första mooc, massive open online course, en öppen och gratis nätkurs för alla med en dator. Kursen blir världens första mooc om supermaterialet grafen.
90 miljoner till 75 innovativa företag
article thumbnailtor Intelligenta skruvförband med uppkoppling mot internet, en IR-sensor som vet vad du gör, en alternativ metod för ytbeläggningar i bränsleceller och en fuktmätare är några av de 75 utvecklingsprojekt i små och medelstora företag som Vinnova finansierar i höstens omgång av programmet Forska&Väx.
Nu kan Androidappar anpassas för bilen
article thumbnailtor Google släpper programmeringsgränssnitt som gör att du kan anpassa din app till att utnyttja bilens pekskärm, mikrofon och andra användargränssnitt. Tekniken fungerar för alla telefoner, pekplattor och elektroniska accessoarer som använder den nya versionen Android 5.0 (Lollipop).
Vind, vatten och sol ger billigast el
article thumbnailtor I en färsk studie från Elforsk framkommer det att el från vattenkraft och vindkraft placerad på land är de billigaste sätten att producera el i nya anläggningar. Tar man även hänsyn till aktuella styrmedel, som utsläppsrätter, elcertifikat och skatter, blir vindkraften enligt Elforsk i särklass billigast.
Elsäkerhet samlas i en standard
article thumbnailtor Tidigare har olika elsäkerhetsstandarder gällt för vanlig hemelektronik å ena sidan och datorer och kontrorsutrustning å andra sidan. I den nya svenska standarden SS-EN 62368-1 samlas alla säkerhetskrav på elprylar för ljud, bild, kommunikation, databehandling och övrigt..
Qualcomm bygger ARM-serverprocessor
article thumbnailtor Mobilprocessorjätten Qualcomm bekräftar att den utvecklar serverprocessorer med ARM-kärnor. Företaget säger sig ha arbetat med en produkt ”under en tid”.
Tysk snuvar svensk på titeln bäst memsfoundry
article thumbnailtor Tyska X-Fabs Mems Foundry får utmärkelsen ”MEMS Foundry of the Year” av den internationella branschorganisationen MEMS Industry Group (MIG). Även det svenska memsfoundryt Silex med fabrik i Järfälla fanns med bland de fem finalisterna.
Smart vägljus ska halvera effekten
article thumbnailtor Gatlyktor som endast lyser då någon är i närheten ska kunna halvera energiförbrukningen enligt Stockholms stad som nu installerar testsystem på Djurgården och i Bromma.
Intel släpper krets med CPU från dödsfienden
article thumbnailons Approcessorn i Intels och Rockchips första mobilplattform är från brittiska Arm – dominanten i den mobilkretsmarknad där Intel försöker lansera sin Atom-CPU. Intel och Rockchip lanserar något som de hävdar är den billigaste 3G-plattform som existerar.
Brett spektrum av ARM
article thumbnailons En familj 31 mm SO-DIMM-moduler som sträcker sig ända från en 400 MHz Arm9 till en fyrkärnig Cortex A9 på 1 GHz. De är alla kompatibla för den som vill byta upp eller ner sig i prestanda eller batteritid. Tillverkare är tyska Karo.
Smart elkraft gav Polhemspriset
article thumbnailons Hans Björklund på ABB i Ludvika får Sveriges Ingenjörers anrika Polhemspris 2014. Han får det för sina styr- och skyddssystem som är avgörande för smarta elnät med förnyelsebara energikällor. Priset – en guldmedalj och 250 000 kronor – utdelades av närings- och innovationsminister Mikael Damberg på tisdagskvällen.
Utan utvecklingskort ingen utveckling
article thumbnailons ELECTRONICA Allt färre startar med en hög komponenter och ett vitt papper. Idag är det utvecklingskort som gäller när det dags för ett nytt projekt. I varje fall om man ska tro distributören Element 14 som hävdar att 79 procent av alla ingenjörer dessutom använder hela eller delar av utvecklingskortet i den färdiga designen.
Snabbaste IQ-generatorn
article thumbnailons Israeliska Tabor har gjort sig ett namn som leverantör av signal- och vågformsgeneratorer. Produkterna säljs under eget namn men också av andra test- och mätföretag, inklusive Keysight. Nu släpper Tabor det första instrumentet för PXI-bussen, en snabb vågformsgenerator för IQ-signaler.
Grönt ljus för export av minihelikopter till Kina
article thumbnailons Linköpingsföretaget Cybaero, som utvecklar och tillverkar obemannade helikoptrar, har fått ett positivt förhandsbesked på sin ansökan om att exportera civila helikoptersystem till kinesiska Avic. Därmed kan de första tio systemen levereras.
Huvudlös modul för riktigt inbyggt
article thumbnailtis ELECTRONICA Tyska Congatec – specialist på datormoduler och enkortsdatorer för inbyggnad – har utökat sin Qseven-serie med en första huvudlös modul. Det handlar om en energisnål lösning för inbyggda system som inte har grafikutgång.
Vill accelerera x86-servrar med FPGA:er
article thumbnailtis Programmerbar logik har länge använts för att accelerera algoritmer som upplevts som tunga av vanliga processorer men hittills har tekniken varit för krånglig för att få ett bredare genomslag. Xilinx vill ändra på det med ett nytt verktyg som tar C, C++ eller OpenCL och kompilerar till körbar kod i FPGA:n. I lösningen ingår också standardiserade FPGA-kort för PCIe-bussen från några utvalda samarbetsföretag.

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
Annons

Sök komponent
(demoversion)






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