Efektywne projektowanie przetwornicy DC-DC: Automatyczne pomiary z Altium Designer 24 MixedSim

Jednym z kluczowych wyzwań we współczesnej elektronice jest dostarczanie dostosowanych rozwiązań zasilających. Ta sekcja może składać się z wielu różnych przetwornic SMPS (przetwornica impulsowa) takich jak przetwornice AC na DC czy DC na DC. W aplikacjach o wysokiej mocy, konwersja AC na DC może wymagać kontrolera PFC, aby osiągnąć dobry współczynnik mocy urządzenia (tj. redukcję harmonicznych i pozornego zużycia energii). Typowe wyzwania w projektowaniu SMPS to:

1. liczba regulatorów SMPS, aby osiągnąć wymagane napięcia i prądy zasilające wymagane przez projekt;
2. koszty implementacji;
3. powierzchnia wymagana do zaimplementowania projektu;
4. projekt układu;
5. efektywność i redukcja ciepła lub wsparcie projektowe w zakresie zarządzania ciepłem.

Punkty "d" i "e" mogą być łatwo rozwiązane z pomocą Altium Designer Mixed Simulation. Na przykład, można symulować gęstości prądów na PCB używając Power Analyzer od Keysight, który może być zintegrowany z Altium Designer. Ten artykuł zagłębia się w sprawienie, by przetwornica DC-DC typu buck była bardziej efektywna, dzieląc się kilkoma łatwymi i skutecznymi wskazówkami, jak szybko oszacować jej efektywność.

O projektowaniu przetwornicy Buck

Podstawowy schemat przetwornicy buck jest pokazany na Rysunku 1:

Rysunek 1

Wykorzystuje cztery wzmacniacze operacyjne do stworzenia generatora sygnału rampy (U3A), wzmacniacza błędu (U1B), bufora dla sygnału rampy (U2B) oraz modulatora (U2A). Napięcie odniesienia jest symulowane jako źródło prądu stałego podłączone do wzmacniacza błędu przez sieć RC, zapewniając funkcję miękkiego startu. Rysunek 1 przedstawia przetwornik w trybie napięciowym, używający modulacji PWM do ustawienia napięcia wyjściowego.

Stopień mocy jest zbudowany wokół Q1, L1, D2 i C2, przy czym R7 służy jako rezystancja obciążenia dla przetwornika. Komponenty związane z U3A ustalają częstotliwość pracy, którą można łatwo dostosować, zmieniając C1. Przy C1 ustawionym na 4,3nF, częstotliwość wynosi około 100kHz.

Sieć kompensacyjna, która wpływa na stabilność przetwornika, może być dostosowana, aby poprawić stabilność lub odpowiedź na skok (C4, C3-R10 i R12-C6). R8 i R9, wraz z napięciem odniesienia, ustalają napięcie wyjściowe. W tym przypadku R8 i R9 tworzą dzielnik 1:2, co skutkuje napięciem wyjściowym 6V.

Rysunek 2 pokazuje sygnały zebrane podczas symulacji. Prąd wyjściowy jest ustawiony na 2A, co odzwierciedla się również w średnim prądzie przez L1.

Rysunek 2

Aby oszacować efektywność projektu, należy obliczyć dwie wielkości wynikające z projektu: moc wejściową i moc wyjściową. Stosunek mocy wyjściowej do mocy wejściowej to efektywność.

Symulacja SPICE w Altium Designer może łatwo dostarczyć obliczenia mocy oraz podział tych wielkości w celu określenia wartości efektywności.

Jak obliczyć moc wejściową

Moc wejściowa dla przetwornika DC-DC pochodzi z V1 (źródła prądu stałego). Moc V1 można uzyskać z okna Dodaj wyrażenie wyjściowe, dostępnego poprzez zakładkę Pulpit symulacji (patrz Rysunek 3).

Rysunek 3

Rysunek 4 pokazuje wykres mocy (wykres 4):

Rysunek 4

Aby obliczyć zużycie mocy, można uśrednić przebieg za pomocą wyrażenia AVG() (patrz Rysunek 5).

Rysunek 5

Rysunek 6 przedstawia uśredniony przebieg, chociaż widoczne są pewne oscylacje z powodu rozpiętości okna. Zużycie mocy można odczytać za pomocą kursora, który pokazuje 13,26W.

Rysunek 6

Aby uzyskać natychmiastową wartość mocy dostarczanej do przetwornika, można skonfigurować pomiar, jak pokazano na Rysunku 7.

Rysunek 7

Dodatkowo, funkcja AVG() powinna zostać usunięta z wyrażenia przebiegu, aby uniknąć uśredniania już uśrednionego przebiegu, ponieważ może to prowadzić do nieścisłości. Zakładka Pomiarów Danych Symulacji wyświetli moc dostarczaną przez V1, jak pokazano na Rysunku 8.

Rysunek 8

Jak Obliczyć Moc Wyjściową

Obliczenie mocy wyjściowej (dostarczonej do R7) może być wykonane w ten sam sposób, jak pokazano na Rysunku 9 oraz Rysunku 10.

Rysunek 9: Konfiguracja dla śladu mocy R7

Rysunek 10: Wartości mocy wejściowej (PWR-IN) i wyjściowej (PWR-OUT) uzyskane za pomocą "Pomiarów"

Jak Obliczyć Sprawność

Następnym krokiem do obliczenia sprawności jest podzielenie mocy wyjściowej przez moc wejściową. Jednym ze sposobów na to jest utworzenie śladu na wykresie, który reprezentuje dzielenie tych dwóch mocy (Rysunek 11) i obliczenie średniej (Rysunek 12). Opcjonalnie, można pomnożyć przez 100, aby przedstawić wyniki w procentach. Należy zauważyć, że funkcja AVG() w Pomiarach jest stosowana w przedziale czasowym od 875µs do 1ms, aby uśrednić tylko tę część przebiegu, która może być uznana za stan ustalony (patrz Rysunek 13).

Rysunek 11: Wyrażenie śladu dla sprawności

Rysunek 12 & 13: Konfiguracja pomiaru dla obliczenia sprawności

Wartość sprawności jest wyświetlana na karcie Sim Data (Rysunek 14). Zmierzona wartość to 0,82 (82%). Dodatkowe zmiany w projekcie na Rysunku 1 mogą być wymagane, aby zwiększyć sprawność do wyższej wartości (tj. zmniejszyć rozpraszanie ciepła). Na przykład, zamiast D2 może być użyta synchroniczna prostownia, lub może być zwiększona siła napędu bramki Q1.

Rysunek 14: Sprawność przetwornicy DC-DC wyświetlona na karcie "Pomiary"

Podsumowując

symulacja SPICE w Altium Designer może sprostać wyzwaniom związanym z projektowaniem zasilania, redukując czas i koszty. Pomiary efektywności lub prądu w cewce, jak również dostrojenie projektu w czasie rzeczywistym, mogą być łatwo zaimplementowane przy użyciu zaawansowanych opcji takich jak Pomiary i operacje matematyczne. Łatwość użycia i elastyczność środowiska symulacyjnego mogą poradzić sobie nawet z złożonymi wyzwaniami projektowymi, oszczędzając Twój czas i pozwalając skupić się na osiągnięciu najlepszej realizacji projektu.