Annons

fredag 19 december 2014vecka 51
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

 

Eventuella läsarkommentarer finns längre ner (länk)

 

Första dagen på jobbet
article thumbnail10:05 Volvos nya laddhybrid började igår rulla i kommersiell trafik i Hamburg. Därmed tar bussen steget från pilottester till att transportera betalande passagerare.
Lyssnar och lyder
article thumbnail9:19 Den är inte större än 2,1x2,1 mm men lyssnar uppmärksamt utan att tömma batteriet. Dessutom kan den tolka dina kommandon och väcka processorn när det är dags för lite action. Det handlar om Ice40, en liten FPGA som fått dedicerad IP för rösttolkning.
Mips klår Mips i Coremark
article thumbnail8:40 Inbyggnads-CPU:n MIPS P5600 levererar 5,6 Coremark/MHz och petar därmed ner den nuvarande ledaren – den egna MIPS Proaptiv – till andraplatsen. P5600 är till och med tio procent bättre än en Intel Core i7-2640M, påpekar Imagination.
Så väljer du din elmotor
article thumbnailigår Ett första svenskt test av elmotorer och frekvensomriktare är vad Energimyndighetens Testlab just slutfört. Det visar på stora besparingspotentialer inom området. Skulle exempelvis alla elmotorer i EU bli effektivare går det att spara 135 terawattimmar – alltså lika mycket som hela Sveriges årliga elanvändning, hävdar myndigheten.
Nio av tio växelriktare stör
article thumbnailigår Redan i augusti kunde Elektroniktidningen rapportera att tre av de fyra växelriktare till solcellsanläggningar som Elsäkerthetsverket testat avgav för mycket störningar. När alla de 14 EU-länder som deltog i testet sammanställt sina resultat visar det sig att hela nio av tio växelriktare skickar ut för höga störningar.
Google bygger bilen, Nokia vägkartan
article thumbnailigår Google är kanske ledande i att bygga självkörande bilar. Men Nokia kan bli den som levererar de centimeterdetaljerade sekunduppdaterade kartor utan vilka de självkörande bilarna inte kan röra sig ur fläcken.
Zigbee blir kompatibel med sig själv
article thumbnailigår Zigbee Alliance unifierar sina viktigaste profiler till ett gemensamt protokoll. Zigbee 3.0 testas nu, kommer att demonstreras på konsumentelektronikmässan CES-mässan i januari och väntas ratificeras under fjärde kvartalet nästa år.
Linear: Vi växer i bilen
article thumbnailigår Kraft är Linear Technologys största teknikområde. Och fordonsindustrin har seglat upp som en av de viktigaste marknaderna. ”Vi är ledande inom kraftförsörjning i fordon”, säger Steve Pietkiewicz när han träffar Elektroniktidningen på Electronica.
Bloggar om svenska superprocessorn
article thumbnailigår Hur känns det egentligen att packa upp ett superdatorkort och hur kommer man igång? Den frågan ska Adam Taylor ge svar på i en blogg på Adaptevas hemsida.
Scania testar trådlös laddning av elbuss
article thumbnailigår I juni nästa år drar Scania och KTH igång ett pilotprojekt med induktiv laddning av en elhybridbuss i Södertälje. Projektet får 9,8 miljoner kronor i stöd av Energimyndigheten.
Mouser satsar på motorstyrningssajt
article thumbnailons Komponentdistributören Mouser har sjösatt en undersajt för den som vill lära mer om motorstyrning. Fokus ligger på styrning av fem olika typer av elmotorer.
Verizon och Google korslicenserar
article thumbnailons Google och teleoperatören Verizon bestämmer att de fritt får använda varandras patenterade teknik. Syftet med pakten är att hjälpa varandra att försvara sig mot patentstämningar.
Franska IOT-mobilnätet sprider sig
article thumbnailons Storbritannien har fått sina första basstationer för den strömsnåla mobilnätstekniken Sigfox. Hela Europa skulle kunna vara täckt i mitten av nästa år, enligt Sigfox, om operatörsintresse finns.
Thinfilm håller koll på tjuven
article thumbnailons Norska Thinfilm Electronics – som utvecklar och volymtillverkar tryckt elektronik i Linköping – har fått en uppföljningsorder på 13 miljoner elektroniska varularm med inbyggd rf-teknik. Leveransen ska ske under nästa år till kunden, som påstås vara en världsledare inom sitt gebit.
Ett oscilloskop utan hjälpredor
article thumbnailons Dagens oscilloskop är proppfulla med olika hjälpredor som gör allt för att underlätta arbetet. Samtidigt fjärmar de användarna från den underliggande tekniken. Tyska Rohde & Schwarz har därför tagit fram en modell där man kan stänga av allt vad automatik heter. Den nya modellen i RTM-familjen är särskilt tänkt för utbildningsändamål.
Xiaomis säljförbud delvis hävt
article thumbnailtis Kinesiska Xiaomi tillåts att fram till den 8 januari sälja telefoner med Qualcommprocessorer i Indien. Beslutet kommer efter att Xiaomi påpekat att Ericsson – som drev igenom importstoppet efter en licenstvist – har ett licensavtal med Qualcomm.
Medvind för svenskt solelsbolag
article thumbnailtis Stockholmsföretaget Optistring, som utvecklat en omriktare för solpaneler som gör att de utnyttjas betydligt effektivare än tidigare, får 15 miljoner kronor i stöd från Energimyndigheten i form av ett villkorslån. Pengarna ska användas till att förbereda storskalig produktion.
Utvecklingsplattform för 5G
article thumbnailtis Programmerbara radiomoduler i kombination med en grafisk utvecklingsmiljö. Där har du essensen i Labview Communications System Design Suite, National Instruments nya verktyg som ska göra det snabbare att utveckla bland annat 5G, nästa generations mobilstandard.
Ett steg mot skalbart optiskt minne
article thumbnailtis Japanska forskare är först att presentera ett skalbar optisk minnesteknik på organiska molekyler. Molekylerna ordnar sig själva i prydliga rader och kan sedan programmeras med ljuspulser.
ABB och Hitachi bildar bolag
article thumbnailtis För 60 år sedan utvecklade ABB HVDC-tekniken i Sverige. Nu ingår företaget ett strategiskt samarbete med japanska Hitachi. Genom ett nytt företag, baserat i Tokyo, ska de två se till att ABB:s senaste teknik når den japanska marknaden.

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


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