Progettazione efficiente di convertitori DC-DC: Misure automatizzate con Altium Designer 24 MixedSim

Una delle principali sfide nell'elettronica moderna è fornire soluzioni di alimentazione su misura. Questa sezione può essere composta da diversi SMPS (alimentatori a commutazione) come convertitori da AC a DC o da DC a DC. Nelle applicazioni ad alta potenza, la conversione da AC a DC può richiedere un controller PFC per ottenere un buon fattore di potenza del dispositivo (cioè, riduzione delle armoniche e del consumo di potenza apparente). Le tipiche sfide nella progettazione degli SMPS sono:

1. numero dei regolatori SMPS per ottenere le tensioni e le correnti di alimentazione richieste dal progetto;
2. costi di implementazione;
3. area richiesta per implementare il progetto;
4. progettazione del layout;
5. efficienza e riduzione del calore o supporto alla progettazione per la gestione termica.

I punti "d" ed "e" possono essere facilmente affrontati con la Simulazione Mista di Altium Designer. Ad esempio, è possibile simulare le densità di corrente nel PCB utilizzando Power Analyzer di Keysight, che può essere integrato con Altium Designer. Questo articolo approfondisce come rendere un convertitore DC-DC buck più efficiente, condividendo alcuni consigli semplici ed efficaci per stimare rapidamente la sua efficienza.

Riguardo al Progetto del Convertitore Buck

Lo schema base del convertitore buck è mostrato in Figura 1:

Figura 1

Utilizza quattro amplificatori operazionali per creare il generatore di segnale a rampa (U3A), l'amplificatore di errore (U1B), il buffer per il segnale a rampa (U2B) e il modulatore (U2A). La tensione di riferimento è simulata come una fonte DC collegata all'amplificatore di errore attraverso una rete RC, fornendo una caratteristica di avvio morbido. Figura 1 è un convertitore in modalità tensione, che utilizza la modulazione PWM per impostare la tensione di uscita.

Lo stadio di potenza è costruito attorno a Q1, L1, D2 e C2, con R7 che funge da resistenza di carico per il convertitore. I componenti relativi a U3A impostano la frequenza di funzionamento, che può essere facilmente regolata cambiando C1. Con C1 impostato a 4.3nF, la frequenza è di circa 100kHz.

La rete di compensazione, che influisce sulla stabilità del convertitore, può essere regolata per migliorare la stabilità o la risposta al gradino (C4, C3-R10 e R12-C6). R8 e R9, insieme alla tensione di riferimento, impostano la tensione di uscita. In questo caso, R8 e R9 creano un divisore 1:2, risultando in una tensione di uscita di 6V.

Figura 2 mostra i segnali raccolti durante la simulazione. La corrente di uscita è impostata a 2A, che si riflette anche nella corrente media attraverso L1.

Figura 2

Per stimare l'efficienza del progetto, devono essere calcolate due quantità dal design: potenza in ingresso e potenza in uscita. Il rapporto tra la potenza in uscita e la potenza in ingresso è l'efficienza.

La simulazione SPICE in Altium Designer può facilmente fornire i calcoli della potenza e la divisione di queste quantità per determinare il valore dell'efficienza.

Come Calcolare la Potenza in Ingresso

La potenza in ingresso per il convertitore DC-DC proviene da V1 (una fonte DC). Puoi ottenere la potenza di V1 dalla finestra Aggiungi Espressione di Uscita, accessibile tramite la scheda Dashboard di Simulazione (vedi Figura 3).

Figura 3

Figura 4 mostra il grafico della potenza (grafico 4):

Figura 4

Per calcolare il consumo di potenza, puoi mediare l'onda utilizzando l'espressione AVG() (vedi Figura 5).

Figura 5

Figura 6 presenta l'onda mediata, sebbene siano visibili alcune oscillazioni a causa dell'ampiezza della finestra. Il consumo di potenza può essere letto utilizzando un cursore, che mostra 13.26W.

Figura 6

Per ottenere il valore istantaneo della potenza fornita al convertitore, può essere configurata una misurazione come mostrato in Figura 7.

Figura 7

Inoltre, la funzione AVG() dovrebbe essere rimossa dall'espressione dell'onda per evitare di mediare un'onda già mediata, poiché ciò potrebbe risultare in imprecisioni. La scheda Sim Data Measurements mostrerà la potenza fornita da V1, come mostrato in Figura 8.

Figura 8

Come Calcolare la Potenza in Uscita

Il calcolo della potenza in uscita (fornita a R7) può essere eseguito allo stesso modo, come mostrato in Figura 9 e Figura 10.

Figura 9: Configurazione per la traccia di potenza di R7

Figura 10: Valori di potenza in ingresso (PWR-IN) e in uscita (PWR-OUT) ottenuti tramite "Measurements"

Come Calcolare l'Efficienza

Il passo successivo per calcolare l'efficienza consiste nel dividere la potenza in uscita per la potenza in ingresso. Un modo per fare ciò è creare una traccia nel grafico che rappresenti la divisione delle due potenze (Figura 11) e prendere una media (Figura 12). Opzionalmente, si può moltiplicare per 100 per presentare i risultati in percentuale. Si noti che la funzione AVG() in Misurazioni viene applicata su un intervallo di tempo da 875µs a 1ms per mediare solo la parte dell'onda che può essere considerata uno stato stazionario (vedi Figura 13).

Figura 11: Espressione della traccia per l'efficienza

Figura 12 & 13: Configurazione della misurazione per il calcolo dell'efficienza

Il valore dell'efficienza è visualizzato nella scheda Dati Sim (Figura 14). Il valore misurato è 0,82 (82%). Potrebbero essere necessarie ulteriori modifiche al progetto in Figura 1 per aumentare l'efficienza a un valore più alto (ad esempio, per ridurre la dissipazione di calore). Per esempio, si potrebbe utilizzare la rettificazione sincrona al posto di D2, o aumentare la forza di guida per il gate di Q1.

Figura 14: Efficienza del convertitore DC-DC visualizzata nella scheda "Misure"

In Chiusura

La simulazione SPICE in Altium Designer può affrontare le sfide della progettazione dell'alimentatore per ridurre tempi e costi. Le misurazioni dell'efficienza o della corrente dell'induttore, così come la regolazione del design in tempo reale, possono essere facilmente implementate utilizzando opzioni avanzate come Misurazioni e operazioni matematiche. La facilità d'uso e la flessibilità dell'ambiente di simulazione possono gestire anche le sfide di progettazione più complesse, risparmiandovi tempo e permettendovi di concentrarvi sul raggiungimento della migliore implementazione del design.