Annons

tisdag 21 oktober 2014vecka 43
Annons
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)

 

MDH får energifokuserad elektronikutbildning
article thumbnailigår ABB, Bombardier, Mälarenergi och Westinghouse hjälper Mälardalens högskola att ta fram en ny utbildning i elektroteknik. Drivkraften är regionens behov av ingenjörer med kunskap i energieffektivitet.
KTH-ubåten Carl är billig och flexibel
article thumbnailigår Forskare på KTH har utvecklat en liten, obemannad, batteridriven ubåt, tänkt att dyka ner i havet för att utforska det andra tidigare inte kunnat eller velat. Kostnad och flexibilitet är en röd tråd i forskarnas långsiktiga arbete.
220 km/h utan förare
article thumbnailigår En förarlös Audi RS7 på 560 hästkrafter har demonstrerat sina racingfärdigheter inför publik. Den är snabbare än du, men fortfarande chanslös mot proffsförare.
BEKRÄFTAT: IBM ger upp halvledartillverkningen
article thumbnailigår IBM låter Globalfoundries ta över företagets olönsamma chipstillverkning. Det meddelar företagen idag.
Svensk minihelikopter får export-nej till Kina
article thumbnailigår Linköpingsföretaget Cybaero, som utvecklar och tillverkar obemannade helikoptrar, har fått avslag på sin ansökan om att exportera civila helikoptersystem till kinesiska Avic. Företaget planerar att ansöka ytterligare en gång.
Arduino lanserar 3D-skrivare
article thumbnailfre Företaget bakom labbkortens superstjärna Arduino lanserar en ny produkt för gör-det-självare: en 3D-skrivare. Den kostar  5200 kronor om du är beredd att skruva ihop den på egen hand och 6300 färdigmonterad.
Nytt operativsystem för fordon
article thumbnailfre Elektrobit säger sig vara först med följande kombination: ett operativsystem för fordonstandarden Autosar, som både kan köras på multikärnor och klarar av att säkerhetscertifieras till nivån Asil D.
Jens ärad i Finland
article thumbnailfre Jens Zander, professor i radiokommunikation vid KTH, har utsetts till hedersdoktor vid finska Aalto University.
Hjälper föraren i mörkret
article thumbnailfre En krets som driver och styr upp till 96 lysdioder placerade i en bils strålkastare är vad Texas Instruments just lanserat. Drivkretsen är den första i sitt slag, enligt TI, som hävdar att den höga integrationsgraden gör att nödvändig kortyta kan  minskas med upp till 73 procent.
Storföretag prisar svenska Minesto
article thumbnailfre Göteborgsföretaget Minesto, som är ensamt om att kunna alstra energi ur relativt långsamma vattenströmmar, har vunnit WWL Orcelle Award 2014 som är en  internationell utmärkelsen med miljöfokus.
SIM-kort och SD-kort i samma anslutning
article thumbnailfre Titta på bilden – du stoppar in ett SIM-kort däruppe och ett SD-kort därnere. Den här söta våningssängen kommer från Molex och distribueras av Mouser.
Analysator och generator med bredd
article thumbnailfre En vektorsignalanalysator på 26,5 GHz vars analysbandbredd är rekordhöga 765 MHz plus en snabbswitchad signalgenerator på 20 GHz – det är två nya produkter från National Instruments. De får tummen upp från försvarskoncernen Saab.
Hon chefar över Mediateks IoT-satsning i Europa
article thumbnailtor Elektroniktidningen har talat med Mimmis Cleeren som sitter i Stockholm som Europachef över mobilkretsjätten Mediateks satsning på IoT och intelligenta accessoarer. Den stora målgruppen är makers.
Mer kraft när tre blir en
article thumbnailtor Kraftleverantören Metric Powersystems inlemmas i Brommaföretaget Coromatic – vars affärsidé är fysisk it-säkerhet för skydd av hårdvara, system och information. I våras slogs Coromatic samman med Skandinaviska Kraft. Syftet är att skapa en starkare organisation med fokus på robust verksamhetskritisk infrastruktur.
Superprocessorn får distributör
article thumbnailtor RS Components blir global distributör av Parallella – ett utvecklingskort för Epiphany, uppstartsföretaget Adaptevas parallella coprocessor för flyttalsberäkningar. RS beskriver kortet som en av världens mest energisnåla databehandlingsplattformar.
Snabbladdat litiumjonbatteri med lång livslängd
article thumbnailtor ”GENOMBROTT”Litiumjonbatterier som är 70 procent laddade efter två minuter och klarar 10 000 laddcykler – det har forskare på Nanyangs tekniska universitet tagit fram.
Lund vill bli nanoteknikens Mecka
article thumbnailtor Lund tillhör världsledarna inom nanotrådsteknik. Nu ska företagsutvecklingen i regionen stärkas kraftigt. Ett första steg är att bygga ut kapaciteten vid Lunds nanotekniska laboratorium – förhoppningsvis med start under nästa år. Pengar saknas, men finansieringen är inte ett orosmoln, enligt eldsjälarna bakom projektet.
Sinus ger tystare fläkt
article thumbnailtor Upp till 75 procent av det hörbara ljudet från fläkten försvinner om du byter till en sinusformad drivspänning, hävdar Texas Instruments som taget fram en enkretslösning för borstlösa fläktar och pumpar på 24 volt.
USB-jack med skydd för EMC och ESD
article thumbnailtor Utan att öka storleken har tyska Würth lyckats klämma in både ett EMC- och ett ESD-filter i ett USB-jack avsett för industriella tillämpningar.
En lysdiod räcker för bilens halvljus
article thumbnail15/10 Tyska Osram har tagit fram en lysdiod som ger 1400 lumen och 200 Mcd per kvadratmeter. Värdena är visserligen uppmätta i labbet men ligger tre gånger högre än dagens lysdioder. Enligt Osram är lysdioden tillräckligt stark för att fungera som halvljus i en bil.

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

Sök komponent
(demoversion)






Annons
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