lördag 30 april 2016vecka 17
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
Ladda mobilen från blomkrukan?
article thumbnailigår Ett projekt på gräsrotsfinansieringssajten Indiegogo som visar alla tecken på att vara en ren bluff, har hittills samlat in en halv miljon kronor i beställningar.
Artificiellt intelligent USB-pinne
article thumbnailigår Allt som har en USB-ingång kan addera AI-tekniken deep learning som turbo med hjälp av en USB-nyckel från irländska Movidius.
Allt-i-ett-instrument att hålla i handen
article thumbnailigår Britiska Picoscope är synonymt med skärmlösa kompakta och USB-drivna oscilloskop. Nu adderar företaget spektrumanalysator, funktionsgenerator, vågformsgenerator och en analysator för seriella bussar till oscilloskopen i den enklaste 2000-familjen.
Ge och ta mellan KTH och Stora Enso
article thumbnailigår KTH har tecknat ett strategiskt partnerskap med Stora Enso. Syftet är att påverka KTH:s framtida inriktning inom forskning och utveckling för att säkra skogskoncernens kompetensförsörjning. Smarta förpackningar, nya lösningar inom automation och artificiell intelligens är några områden där den svensk-finska koncernen räknar med att få stor nytta av det nytecknade partnerskapet.
Cypress köper Broadcoms IoT-verksamhet
article thumbnailigår I december 2014 gick Cypress och Spansion ihop i en affär värderad till 4 miljarder dollar, i juli förra året förlorade Cypress budstriden om minnestillverkaren ISSI men nu är det dags för nästa affär, Cypress köper radiokunnande för IoT-området av Broadcom för 550 miljoner dollar.
Qt i LG:s smartteve
article thumbnailigår Årets modeller av smartteve från LG använder programvara från finska Qt för att implementera grafik och användargränssnitt.
Gör el av värme på lyxkryssare
article thumbnailtor Svenska Climeon – som skapar el från spillvärme – har fått en stororder från det italienska varvet Fincantieri. Företaget köper sex värmekraftsystem; de första i världen att installeras på kryssningsfartyg.
Jordbävning drabbar Axis
article thumbnailtor Ett antal av Axis nätverksvideoprodukter kommer att ha begränsad tillgång vid slutet av året. Orsaken är att jordbävningarna i Japan i mitten av april orsakade skador på Sonys fabrik för sensortillverkning.
Peak smartphone är här
article thumbnailtor Antalet sålda mobiltelefoner under första kvartalet 2016 är ungefär detsamma som första kvartalet i fjol. Det rapporterar analysföretaget IDC.
Noggrann multimeter med 7½ siffror
article thumbnailtor Den kan mäta spänning från nanovolt till kilovolt och resistans från kiloohm till gigaohm. PXIe-4081 från National Instruments är den första multimetern för PXI Express med 7½ siffror.
AVGJORT: Tävling om effektivare nyttjande av solel i byggnader
article thumbnailtor Två svenska, ett grekiskt och ett amerikanskt innovatörsteam står som vinnare i Energimyndighetens tävling Intelligent Energy Management Challenge – här handlar det om att premiera lösningar som ser till att optimera användningen av solel där den produceras.
Mångmiljardstöd till tyska elbilar
article thumbnailtor Den tyska regeringen har kommit överens med tre av landets biltillverkare om ett stöd på ungefär 1,2 miljarder euro till el- och hybridbilar. Rena elbilar blir 4000 euro billigare och hybridbilar subventioneras med 3000 euro. Bilen får dock inte kosta över 60 000 euro i grundutförande.
Laddning av tunga fordon standardiseras
article thumbnailtor En europeisk standard för automatisk laddning av tunga fordon, som exempelvis bussar vid hållplatser. Det ska den internationella standardiseringsorganisationen IEC ta fram.
Lunds okända lyxmobiler
article thumbnailons I maj släpps den första modellen av Sirin, en exklusiv mobil som ska garantera användaren säkerhet och integritet och som dessutom lovar att leverera morgondagens teknik redan idag. Delar av utvecklingsarbetet har i all tysthet skett i Lund.
Industrin lånar från datorspelsvärlden
article thumbnailons S.E.E. En grävmaskinssimulator byggd på spelprogramvara och standardhårdvara är ett av många exempel på hur spelvärlden kan ut låna teknik och tänkande till industrin. Stig Larsson på Sics i Västerås berättade på SEE-mässans andra dag om gameification-projekten Incode och Gameproc.
Fyra miljoner till IoT över LTE
article thumbnailons Nästa version av LTE som klubbas i sommar sänker tröskeln för IoT-tillämpningar, att koppla upp apparater via mobilnäten. Lundabolaget Mistbase – som utvecklar grundläggande teknik för IoT-modem över LTE – har dragit in fyra miljoner i kapital och stärker också styrelsen.
Volvos autopilot även i London
article thumbnailons Volvos Drive Me-projekt i London startar i början av 2017 med ett begränsat antal halvautonoma bilar och utökas till 100 helautonoma bilar 2018.
Skördande kretsar kommande miljardmarknad
article thumbnailons 24 miljarder kronor kommer marknaden för energiskördande kretsar att vara värd år 2020. Det tror i alla fall analysföretaget Semico Research. I fjol var den värd 1,6 miljarder kronor.
Experimentlåda för millimetervågsområdet
article thumbnailons Frekvenser på 60 GHz eller mer kommer att bli vardagsmat när 5G slår igenom om några år. Hittills har det varit förhållandevis svårt och dyrt att experimentera så högt upp i frekvens, ett förhållande som National Instruments vill ändra på med ”mmWave Transceiver System”, en verktygslåda som innehåller all nödvändig hård- och mjukvara.
Sensorer på åtta tum ska avslöja universums mysterier
article thumbnailons 95 procent av universum anses fortfarande vara outforskat, något som forskarna på Cern försöker åtgärda. Till sin hjälp får de nya halvledarsensorer på åtta tum som kan upptäcka mörk materia.

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
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