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Conception efficace de convertisseur DC-DC : Mesures automatisées avec Altium Designer 24 MixedSim
Un des défis clés dans l'électronique moderne est de fournir des solutions d'alimentation sur mesure. Cette section peut être composée de différents types d'alimentations à découpage (SMPS) comme les convertisseurs AC vers DC ou DC vers DC. Dans les applications de haute puissance, la conversion AC vers DC peut nécessiter un contrôleur PFC pour atteindre un bon facteur de puissance de l'appareil (c'est-à-dire, réduction des harmoniques et de la consommation de puissance apparente). Les défis typiques dans la conception des SMPS sont:
- le nombre de régulateurs SMPS pour atteindre les tensions et courants d'alimentation requis par la conception;
- les coûts de mise en œuvre;
- l'espace nécessaire pour implémenter la conception;
- la conception de l'agencement;
- l'efficacité et la réduction de la chaleur ou la conception du support de gestion thermique.
Les points "d" et "e" peuvent être facilement abordés avec Altium Designer Mixed Simulation. Par exemple, vous pouvez simuler les densités de courant dans le PCB en utilisant Power Analyzer de Keysight, qui peut être intégré avec Altium Designer. Cet article se penche sur la manière de rendre un convertisseur buck DC-DC plus efficace, partageant quelques astuces faciles et efficaces pour estimer rapidement son efficacité.
À propos de la conception du convertisseur Buck
Le schéma de base du convertisseur buck est montré dans la Figure 1:
La figure 1
Il utilise quatre amplificateurs opérationnels pour créer le générateur de signal de rampe (U3A), l'amplificateur d'erreur (U1B), le tampon pour le signal de rampe (U2B) et le modulateur (U2A). La tension de référence est simulée comme une source DC connectée à l'amplificateur d'erreur à travers un réseau RC, offrant une fonction de démarrage en douceur. La figure 1 est un convertisseur en mode tension, utilisant la modulation PWM pour définir la tension de sortie.
L'étage de puissance est construit autour de Q1, L1, D2 et C2, avec R7 servant de résistance de charge pour le convertisseur. Les composants liés à U3A définissent la fréquence d'opération, qui peut être facilement ajustée en changeant C1. Avec C1 réglé à 4.3nF, la fréquence est d'environ 100kHz.
Le réseau de compensation, qui affecte la stabilité du convertisseur, peut être ajusté pour améliorer la stabilité ou la réponse en fréquence (C4, C3-R10 et R12-C6). R8 et R9, avec la tension de référence, définissent la tension de sortie. Dans ce cas, R8 et R9 créent un diviseur 1:2, résultant en une tension de sortie de 6V.
La figure 2 montre les signaux recueillis lors de la simulation. Le courant de sortie est réglé à 2A, ce qui se reflète également dans le courant moyen à travers L1.
La figure 2
Pour estimer l'efficacité de la conception, deux quantités doivent être calculées à partir de la conception : la puissance d'entrée et la puissance de sortie. Le rapport de la puissance de sortie à la puissance d'entrée est l'efficacité.
La simulation SPICE dans Altium Designer peut facilement fournir les calculs de puissance et la division de ces quantités pour déterminer la valeur de l'efficacité.
Comment calculer la puissance d'entrée
La puissance d'entrée pour le convertisseur DC-DC provient de V1 (une source DC). Vous pouvez obtenir la puissance de V1 depuis la fenêtre Ajouter une expression de sortie, accessible via l'onglet Tableau de bord de simulation (voir Figure 3).
La figure 3
Figure 4 montre le tracé de puissance (tracé 4) :
La figure 4
Pour calculer la consommation d'énergie, vous pouvez moyenner la forme d'onde en utilisant l'expression AVG() (voir Figure 5).
La figure 5
Figure 6 présente la forme d'onde moyennée, bien que des ondulations soient visibles en raison de l'étendue de la fenêtre. La consommation d'énergie peut être lue à l'aide d'un curseur, qui indique 13.26W.
La figure 6
Pour obtenir la valeur instantanée de la puissance délivrée au convertisseur, une mesure peut être configurée comme montré dans Figure 7.
La figure 7
De plus, la fonction AVG() devrait être retirée de l'expression de la forme d'onde pour éviter de moyenner une forme d'onde déjà moyennée, car cela pourrait entraîner des imprécisions. L'onglet Mesures des données de simulation affichera la puissance délivrée par V1, comme montré dans Figure 8.
La figure 8
Comment Calculer la Puissance de Sortie
Le calcul de la puissance de sortie (délivrée à R7) peut être effectué de la même manière, comme montré dans Figure 9 et Figure 10.
La figure 9 : Configuration pour la trace de puissance de R7
La figure 10 : Valeurs de puissance d'entrée (PWR-IN) et de sortie (PWR-OUT) obtenues au moyen des "Mesures"
Comment Calculer l'Efficacité
La prochaine étape pour calculer l'efficacité consiste à diviser la puissance de sortie par la puissance d'entrée. Une manière de faire cela est de créer une trace dans le graphique qui représente la division des deux puissances (Figure 11) et de prendre une moyenne (Figure 12). Facultativement, vous pouvez multiplier par 100 pour présenter les résultats en pourcentage. Notez que la fonction AVG() dans les Mesures est appliquée sur une durée de 875µs à 1ms pour moyenner uniquement la partie de la forme d'onde qui peut être considérée comme un état stable (voir Figure 13).
La figure 11 : Expression de trace pour l'efficacité
La figure 12 & 13 : Configuration de mesure pour le calcul de l'efficacité
La valeur d'efficacité est affichée dans l'onglet Données de Simulation (Figure 14). La valeur mesurée est de 0,82 (82 %). Des modifications supplémentaires de la conception dans Figure 1 peuvent être nécessaires pour augmenter l'efficacité à une valeur plus élevée (c'est-à-dire, pour réduire la dissipation de chaleur). Par exemple, la rectification synchrone peut être utilisée à la place de D2, ou la force de commande pour la grille de Q1 peut être augmentée.
La figure 14 : Efficacité du convertisseur DC-DC affichée dans l'onglet "Mesures"
En conclusion
la simulation SPICE dans Altium Designer peut répondre à vos défis de conception d'alimentation électrique pour réduire le temps et les coûts. Les mesures de l'efficacité ou du courant de l'inducteur, ainsi que l'ajustement en temps réel de la conception, peuvent être facilement mis en œuvre en utilisant des options avancées comme les Mesures et les opérations mathématiques. La facilité d'utilisation et la flexibilité de l'environnement de simulation peuvent gérer même les défis de conception les plus complexes, vous faisant gagner du temps et vous permettant de vous concentrer sur l'obtention de la meilleure mise en œuvre de la conception.
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