Abwärtswandler-Simulation in Altium Designer

Zachariah Peterson
|  Erstellt: August 19, 2020  |  Aktualisiert am: March 29, 2021
Abwärtswandler-Simulation in Altium Designer

Jede neue Leiterplatte, die Sie bauen wollen, benötigt eine Stromquelle, und dabei wird der benötigte Strom oft von einer verrauschten, unstabilisierten Quelle heruntergeregelt. Ein Beispiel ist der Ausgang eines Vollwellengleichrichters, der eine gewisse Restwelligkeit am Ausgang enthält. Eine weitere Möglichkeit ist das Rauschen eines vorgeschalteten Wandlers. In anderen Fällen wird der Strom von einer Batterie geliefert, wobei sich dann die Spannung/Stromstärke der Batterie mit der Zeit oder in Abhängigkeit von der Temperatur ändert.

Unabhängig von der Situation können Sie in der Regel einen passenden DC-DC-Wandler oder LDO bei einem Händler finden, den Sie einfach in Ihre Leiterplatte einbauen können. Wenn Sie Schaltungen mit hoher Leistung entwerfen (in der Regel sehr hohe Spannungen und/oder Ströme), müssen Sie einen Regler von Grund auf neu erstellen und in Ihr PCB-Layout integrieren. Als Teil des Abwärtswandler-Designs können Sie eine Abwärtswandler-Simulation direkt im Schaltplan-Editor von Altium Designer ausführen. Hier erfahren Sie, wie Sie auf diese Funktionen in der neuesten Version von Altium Designer zugreifen können.

So starten Sie eine Abwärtswandler-Simulation

Der Schaltplan-Editor in Altium Designer enthält eine SPICE-basierte Engine, mit der Sie Simulationen direkt auf Grundlage Ihrer Designdaten erzeugen können. Andere Plattformen bieten ähnliche Tools, aber letztendlich erfordern diese, dass Sie Ihre Designdaten und Simulationsdaten für die Analyse in ein externes Programm exportieren. Alternativ können Sie all dies in Altium Designer machen und unter anderem Ihren Schaltplan umgehend als neues PCB-Layout erfassen.

Nachdem Sie Ihre Abwärtswandler-Schaltung fertiggestellt haben, können Sie auf die Simulationstools des Schaltplan-Editors zugreifen. Führen Sie die folgenden Schritte aus, um eine Abwärtswandler-Simulation für Ihren Schaltkreis durchzuführen:

  1. Definieren Sie Ihre Spannungsquellen. Verwenden Sie einfach die Komponentenbibliothek "Simulation Sources.IntLib" im Komponenten-Fenster, um auf eine Reihe von Simulationsquellen zuzugreifen. Sie müssen einen DC-Eingang (oder einen gleichgerichteten AC-Eingang) und eine PWM-Quelle für das Umschalten des High-Side-MOSFETs simulieren (weitere Informationen finden Sie weiter unten).
  2. Platzieren Sie Sonden für die gewünschten Messungen. Die SPICE-Engine in Altium Designer zeigt Strom, Leistung und Spannungen für verschiedene Netze und einzelne Komponenten an. Sie können auch Spannungs-, Strom- oder Leistungssonden in Ihren Schaltplan integrieren, um Messungen an bestimmten Knoten oder Komponenten vorzunehmen.
  3. Erstellen Sie ein Simulationsprofil. Klicken Sie bei geöffnetem Schaltplan-Editor auf die Schaltfläche "Simulieren" in der Hauptmenüleiste. Sie können nun auf alle Funktionen der SPICE-Simulation zugreifen, indem Sie auf "Edit MixedSim Profile" klicken. Sie können Ihr Profil nach Belieben umbenennen und eine Reihe weiterer Einstellungen vornehmen.
Buck converter simulation schematic
Ein grundlegender Schaltplan für eine Abwärtswandler-Simulation

Das Ziel einer Abwärtswandler-Simulation ist es, zu untersuchen, wie das Tastverhältnis des PWM-Signals, die Last und andere Komponenten die Ausgangsleistung Ihres Abwärtswandlers beeinflussen. Sie sollten auch die Restwelligkeit untersuchen, am besten mit einer AC-Quelle und einer Gleichrichterbrücke. Es empfiehlt sich, mit der grundlegenden Topologie der Abwärtswandlung zu beginnen (siehe oben) und weitere Merkmale hinzuzufügen, nachdem Sie die richtigen Komponenten ausgewählt haben.

Modellierung der PWM-Quelle

Die PWM-Quelle kann mit einer gepulsten Quelle modelliert werden. Ich habe im obigen Schaltplan eine Spannungsquelle integriert, aber Sie müssen dem Gate im MOSFET einen bestimmten Strom zuführen. In einer Simulation können Sie eine Stromquelle als VPULSE wählen, oder Sie können einen Widerstand in Reihenschaltung mit VPULSE wählen. Beide Methoden können verwendet werden, um eine PWM-Quelle zum Umschalten des MOSFET zu definieren.

Beachten Sie, dass alle AC- oder Schaltquellen einen maximalen Strom aufweisen, der von einem nachgelagerten Gerät aufgenommen werden kann. Es schadet also nicht, eine spannungsgesteuerte Stromquelle zu verwenden, um das Verhalten Ihrer Leistungswandlerschaltung zu untersuchen. Sie können die Umschaltfrequenz und das Tastverhältnis einstellen, indem Sie die Simulationsinformationen der Spannungsquelle über das Bedienfenster "Eigenschaften" öffnen. Stellen Sie einfach die Impulsbreite (Tastverhältnis) und die Periode (Frequenz) ein, um Ihre modellierte PWM-Quelle abzustimmen (siehe Einstellungen unten).

PWM signal setup for buck converter simulation
Einrichten eines PWM-Signals für eine Abwärtswandler-Simulation

Ich habe in den obigen Simulationseinstellungen eine schöne, langsam steigende Pulsflanke von 100 ns verwendet. Dies ist für Modellierungszwecke ausreichend, da die Pulsbreite und -periode viel größer sind. Sobald die PWM-Quelle definiert ist, können Sie in Ihrem Simulationsprofil einige Analysen durchführen.

Buck converter simulation results

Was wird im Rahmen einer Abwärtswandler-Simulation untersucht?

Das Wichtigste, was es bei einer Abwärtswandler-Simulation zu untersuchen gilt, ist das Einschwingverhalten. Dabei ist es nicht notwendig, eine Pol-Nullstellen-Analyse  durchzuführen, da einfach aufgrund der Gegenkopplung der Transistoren nachgewiesen werden kann, dass der Ausgang des Abwärtswandlers in einen Grenzzyklus eintritt. Es muss also lediglich untersucht werden, wie das oszillierende PWM-Signal die Ausgangsspannung transformiert. Dies lässt sich am besten in der Time Domain mit einer einfachen Transientenanalyse erreichen.

Beachten Sie, dass es keinen Grund gibt, die Übertragungsfunktion zu extrahieren, solange die Größe des Induktors korrekt ist, es sei denn, Sie verwenden einen PFC-Schaltkreis und haben EMI-Filter am Eingang/Ausgang platziert. Für den gewünschten Welligkeitsstrom sollte für die erforderliche Induktorgröße, die PWM-Parameter und die Eingangsspannungen die folgende Gleichung gelten:

How to select an inductor for a buck converter simulation
Beziehung zwischen Welligkeitsstrom und Induktorgröße in einem Abwärtswandler.

Auch hier arbeiten Sie in der Regel mit Frequenzen, die so niedrig sind, dass Sie sich keine Sorgen über Bandbreitenbegrenzungseffekte in Ihrem FET machen müssen. Weitere Informationen zur Auswahl der richtigen PWM-Frequenz und Flankenrate finden Sie in diesem Artikel.

Lassen Sie uns nun mit Ihrem Layout und der Schaltplanerfassung fortfahren

Wenn Sie mit Ihrem Stromwandlungskreis zufrieden sind und bereit sind, ihn mit dem Rest Ihres Systems zu verbinden, haben Sie einige Möglichkeiten:

Wenn Sie bereit sind, Ihre neue Leiterplatte zu gestalten, erstellen Sie einfach ein PCB und verwenden das integrierte Schaltplanerfassungstool, um Ihre Komponenten in ein neues Layout zu importieren. Sie können nun damit beginnen, die Komponenten in Ihrem neuen Layout anzuordnen.

Wenn Sie sich mit Schaltwandlern auskennen, wissen Sie, dass sie in Ihren Schaltungen erhebliche Störungen verursachen können. Der grundlegende Mechanismus ist auf ein starkes Magnetfeld beim Umschalten im FET zurückzuführen, das dann irgendwo im nachgeschalteten Stromkreis einen Strom induziert. Der zweite Mechanismus ist ein Welligkeitsproblem, das sich durch den Wandler ausbreiten und als Rauschen am Ausgang auftreten kann. Eine elektromagnetische Störung, die irgendwo in Ihrer Abwärtswandlerschaltung induziert wird, sei es durch Schaltrauschen oder eine externe HF-Quelle, kann im Ausgangssignal auftreten, wenn die Ausgangsstufe nicht isoliert ist. In diesem Artikel können Sie mehr über die   Unterdrückung von Rauschen bei Schaltwandlern  lesen.

Wenn Sie Zugriff auf die weltweit besten Tools für Schaltungsdesign, Simulation und PCB-Layout benötigen, sollten Sie die vollständige Suite von Designfunktionen in  Altium Designer® nutzen. Sie bietet Ihnen alles, was Sie brauchen, um eine neue Leiterplatte für Ihren DC/DC-Wandler zu erstellen, eine Abwärtswandler-Simulation auszuführen und die Komponenten auf Ihrer Leiterplatte zu finden. Mit der Funktion Hersteller-Teilesuche  können Sie die Komponentenmodelle, die Sie für Ihr Design benötigen, direkt von großen Distributoren und Bauteilherstellern beziehen.

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Über den Autor / über die Autorin

Über den Autor / über die Autorin

Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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