Effizientes Design von DC-DC-Wandlern: Automatisierte Messungen mit Altium Designer 24 MixedSim

Eine der Schlüsselherausforderungen in der modernen Elektronik ist die Bereitstellung maßgeschneiderter Stromversorgungslösungen. Dieser Abschnitt kann aus vielen verschiedenen SMPS (Schaltnetzteilen) wie AC-DC-Wandlern oder DC-DC-Wandlern bestehen. Bei Anwendungen mit hoher Leistung kann die AC-DC-Umwandlung einen PFC-Controller erfordern, um einen guten Leistungsfaktor des Geräts zu erreichen (d. h. Reduzierung von Harmonischen und scheinbarem Stromverbrauch). Typische Herausforderungen im SMPS-Design sind:

1. Anzahl der SMPS-Regler, um die erforderlichen Versorgungsspannungen und -ströme zu erreichen, die vom Design gefordert werden;
2. Kosten der Implementierung;
3. benötigter Platz für die Implementierung des Designs;
4. Layout-Design;
5. Effizienz und Wärmereduktion oder thermisches Management-Designunterstützung.

Punkte "d" und "e" können leicht mit Altium Designer Mixed Simulation angegangen werden. Zum Beispiel können Sie die Stromdichten in der PCB mit dem Power Analyzer von Keysight simulieren, der mit Altium Designer integriert werden kann. Dieser Artikel taucht ein in die Effizienzsteigerung eines DC-DC-Buck-Konverters und teilt einige einfache und effektive Tipps, um seine Effizienz schnell zu schätzen.

Über das Buck-Konverter-Design

Das grundlegende Schaltbild eines Buck-Konverters wird in Abbildung 1 gezeigt:

Abbildung 1

Es verwendet vier Operationsverstärker, um den Rampensignalgenerator (U3A), den Fehlerverstärker (U1B), den Puffer für das Rampensignal (U2B) und den Modulator (U2A) zu erstellen. Die Referenzspannung wird als eine mit dem Fehlerverstärker über ein RC-Netzwerk verbundene Gleichstromquelle simuliert und bietet eine Soft-Start-Funktion. Abbildung 1 ist ein Spannungsmodus-Wandler, der PWM-Modulation verwendet, um die Ausgangsspannung einzustellen.

Die Leistungsstufe ist um Q1, L1, D2 und C2 aufgebaut, wobei R7 als Lastwiderstand für den Wandler dient. Komponenten, die mit U3A verbunden sind, legen die Betriebsfrequenz fest, die leicht durch Ändern von C1 angepasst werden kann. Mit C1 auf 4,3nF eingestellt, liegt die Frequenz bei etwa 100kHz.

Das Kompensationsnetzwerk, das die Stabilität des Wandlers beeinflusst, kann angepasst werden, um die Stabilität oder die Schrittantwort zu verbessern (C4, C3-R10 und R12-C6). R8 und R9 setzen zusammen mit der Referenzspannung die Ausgangsspannung fest. In diesem Fall erzeugen R8 und R9 einen 1:2 Teiler, was zu einer Ausgangsspannung von 6V führt.

Abbildung 2 zeigt die während der Simulation gesammelten Signale. Der Ausgangsstrom ist auf 2A eingestellt, was sich auch im durchschnittlichen Strom durch L1 widerspiegelt.

Abbildung 2

Um die Effizienz des Designs zu schätzen, müssen zwei Größen aus dem Design berechnet werden: Eingangs- und Ausgangsleistung. Das Verhältnis der Ausgangsleistung zur Eingangsleistung ist die Effizienz.

SPICE-Simulation in Altium Designer kann leicht Leistungsberechnungen durchführen und die Teilung dieser Größen, um den Effizienzwert zu bestimmen.

Wie man die Eingangsleistung berechnet

Die Eingangsleistung für den DC-DC-Wandler kommt von V1 (einer Gleichstromquelle). Die Leistung von V1 können Sie aus dem Fenster "Ausdruck hinzufügen" erhalten, das über die Registerkarte "Simulations-Dashboard" zugänglich ist (siehe Abbildung 3).

Abbildung 3

Abbildung 4 zeigt das Leistungsdiagramm (Diagramm 4):

Abbildung 4

Um den Stromverbrauch zu berechnen, können Sie die Wellenform mit dem Ausdruck AVG() mitteln (siehe Abbildung 5).

Abbildung 5

Abbildung 6 zeigt die gemittelte Wellenform, obwohl aufgrund der Fensterbreite einige Wellen sichtbar sind. Der Stromverbrauch kann mit einem Cursor abgelesen werden, der 13,26W anzeigt.

Abbildung 6

Um den Momentanwert der an den Wandler gelieferten Leistung zu erhalten, kann eine Messung konfiguriert werden, wie in Abbildung 7 gezeigt.

Abbildung 7

Zusätzlich sollte die AVG()-Funktion aus dem Wellenformausdruck entfernt werden, um eine bereits gemittelte Wellenform nicht erneut zu mitteln, da dies zu Ungenauigkeiten führen kann. Die Registerkarte "Sim Data Measurements" zeigt die von V1 gelieferte Leistung, wie in Abbildung 8 dargestellt.

Abbildung 8

Wie man die Ausgangsleistung berechnet

Die Berechnung der Ausgangsleistung (an R7 geliefert) kann auf die gleiche Weise durchgeführt werden, wie in Abbildung 9 und Abbildung 10 gezeigt.

Abbildung 9: Konfiguration für die Leistungsspur von R7

Abbildung 10: Eingangs- (PWR-IN) und Ausgangsleistungs- (PWR-OUT) Werte, erhalten durch "Messungen"

Wie man die Effizienz berechnet

Der nächste Schritt, um die Effizienz zu berechnen, besteht darin, die Ausgangsleistung durch die Eingangsleistung zu teilen. Eine Möglichkeit, dies zu tun, ist die Erstellung einer Spur im Diagramm, die die Division der beiden Leistungen darstellt (Abbildung 11) und einen Durchschnitt zu nehmen (Abbildung 12). Optional können Sie mit 100 multiplizieren, um die Ergebnisse als Prozentsatz darzustellen. Beachten Sie, dass die AVG()-Funktion in Messungen über einen Zeitraum von 875µs bis 1ms angewendet wird, um nur den Teil der Wellenform zu mitteln, der als stationärer Zustand betrachtet werden kann (siehe Abbildung 13).

Abbildung 11: Spurausdruck für Effizienz

Abbildung 12 & 13: Messkonfiguration für Effizienzberechnung

Der Effizienzwert wird im Sim Data-Tab angezeigt (Abbildung 14). Der gemessene Wert beträgt 0,82 (82%). Zusätzliche Änderungen am Design in Abbildung 1 könnten erforderlich sein, um die Effizienz auf einen höheren Wert zu steigern (d.h., um die Wärmeabgabe zu reduzieren). Beispielsweise könnte anstelle von D2 eine synchrone Gleichrichtung verwendet werden, oder die Ansteuerungsstärke für das Gate von Q1 könnte erhöht werden.

Abbildung 14: Effizienz des DC-DC-Wandlers angezeigt im Tab "Messungen"

Abschließend

Kann die SPICE-Simulation in Altium Designer Ihre Herausforderungen im Design von Stromversorgungen angehen, um Zeit und Kosten zu reduzieren. Messungen der Effizienz oder des Induktorstroms sowie Echtzeit-Designanpassungen können leicht mit fortgeschrittenen Optionen wie Messungen und mathematischen Operationen implementiert werden. Die Benutzerfreundlichkeit und Flexibilität der Simulationsumgebung können sogar komplexe Designherausforderungen bewältigen, was Ihnen Zeit spart und es Ihnen ermöglicht, sich auf die Erreichung der besten Designimplementierung zu konzentrieren.