Эффективное проектирование DC-DC преобразователя: Автоматизированные измерения с Altium Designer 24 MixedSim

Одной из ключевых задач в современной электронике является предоставление индивидуальных решений для питания. Этот раздел может состоять из множества различных ИИП (импульсных источников питания), таких как преобразователи AC в DC или DC в DC. В приложениях с высокой мощностью преобразование AC в DC может потребовать контроллера PFC для достижения хорошего коэффициента мощности устройства (т.е. снижения гармоник и кажущегося потребления энергии). Типичные задачи при проектировании ИИП включают в себя:

1. количество регуляторов ИИП для достижения необходимых напряжений и токов питания, требуемых конструкцией;
2. стоимость реализации;
3. площадь, необходимая для реализации конструкции;
4. проектирование платы;
5. эффективность и снижение тепла или проектирование системы термического управления.

Пункты "d" и "e" могут быть легко решены с помощью смешанного моделирования в Altium Designer. Например, вы можете симулировать плотности тока на печатной плате, используя Power Analyzer от Keysight, который может быть интегрирован с Altium Designer. Эта статья погружает в процесс повышения эффективности понижающего преобразователя DC-DC, делясь некоторыми простыми и эффективными советами для быстрой оценки его эффективности.

О дизайне понижающего преобразователя

Базовая схема понижающего преобразователя показана на рисунке 1:

Рисунок 1

Он использует четыре операционных усилителя для создания генератора пилообразного сигнала (U3A), усилителя ошибки (U1B), буфера для пилообразного сигнала (U2B) и модулятора (U2A). Опорное напряжение моделируется как источник постоянного тока, подключенный к усилителю ошибки через RC-сеть, обеспечивая функцию плавного запуска. Рисунок 1 представляет собой преобразователь в режиме напряжения, использующий модуляцию ШИМ для установки выходного напряжения.

Силовая стадия построена вокруг Q1, L1, D2 и C2, при этом R7 служит сопротивлением нагрузки для преобразователя. Компоненты, связанные с U3A, устанавливают частоту работы, которую можно легко настроить, изменив C1. При установке C1 на 4.3нФ частота составляет около 100кГц.

Сеть компенсации, влияющая на стабильность преобразователя, может быть настроена для улучшения стабильности или времени реакции на ступенчатое изменение (C4, C3-R10 и R12-C6). R8 и R9, вместе с опорным напряжением, устанавливают выходное напряжение. В данном случае R8 и R9 создают делитель 1:2, что приводит к выходному напряжению 6В.

Рисунок 2 показывает сигналы, собранные во время симуляции. Выходной ток установлен на уровне 2А, что также отражается в среднем токе через L1.

Рисунок 2

Для оценки эффективности проекта необходимо рассчитать две величины, полученные из проекта: мощность на входе и мощность на выходе. Отношение мощности на выходе к мощности на входе является показателем эффективности.

Симуляция SPICE в Altium Designer может легко предоставить расчеты мощности и деление этих величин для определения значения эффективности.

Как рассчитать мощность на входе

Мощность на входе для преобразователя постоянного тока в постоянный берется от V1 (источника постоянного тока). Мощность V1 можно получить из окна "Добавить выражение для вывода", доступного через вкладку "Панель управления симуляцией" (см. Рисунок 3).

Рисунок 3

Рисунок 4 показывает график мощности (график 4):

Рисунок 4

Для расчета потребляемой мощности можно усреднить форму волны, используя выражение AVG() (см. Рисунок 5).

Рисунок 5

Рисунок 6 представляет усредненную форму волны, хотя из-за диапазона окна видны некоторые пульсации. Потребляемую мощность можно считать с помощью курсора, который показывает 13.26 Вт.

Рисунок 6

Чтобы получить мгновенное значение мощности, подаваемой на преобразователь, можно настроить измерение, как показано на Рисунке 7.

Рисунок 7

Кроме того, функцию AVG() следует убрать из выражения для волновой формы, чтобы избежать усреднения уже усреднённой волновой формы, так как это может привести к неточностям. Вкладка "Измерения данных симуляции" будет отображать мощность, подаваемую V1, как показано на Рисунке 8.

Рисунок 8

Как рассчитать выходную мощность

Расчёт выходной мощности (подаваемой на R7) может быть выполнен таким же образом, как показано на Рисунке 9 и Рисунке 10.

Рисунок 9: Конфигурация для трассы мощности R7

Рисунок 10: Значения мощности на входе (PWR-IN) и выходе (PWR-OUT), полученные с помощью "Измерений"

Как рассчитать КПД

Следующий шаг для расчета эффективности заключается в делении выходной мощности на входную мощность. Один из способов сделать это - создать след на графике, который представляет собой деление двух мощностей (Рисунок 11) и взять среднее значение (Рисунок 12). При желании, результат можно умножить на 100, чтобы представить его в процентах. Обратите внимание, что функция AVG() в измерениях применяется на временном интервале от 875 мкс до 1 мс, чтобы усреднить только ту часть волновой формы, которая может быть рассмотрена как устойчивое состояние (см. Рисунок 13).

Рисунок 11: Выражение следа для эффективности

Рисунок 12 и 13: Конфигурация измерений для расчета эффективности

Значение эффективности отображается на вкладке Sim Data (Рисунок 14). Измеренное значение составляет 0.82 (82%). Дополнительные изменения в конструкции на Рисунке 1 могут потребоваться для повышения эффективности до более высокого значения (например, для уменьшения рассеивания тепла). Например, вместо D2 может быть использована синхронная выпрямление, или может быть увеличена сила привода для затвора Q1.

Рисунок 14: Эффективность преобразователя постоянного тока в постоянный, отображаемая на вкладке "Измерения"

В заключение

симуляция SPICE в Altium Designer может помочь решить проблемы проектирования источников питания, сократив время и стоимость. Измерения эффективности или тока индуктора, а также настройка дизайна в реальном времени могут быть легко реализованы с использованием продвинутых опций, таких как Измерения и математические операции. Простота использования и гибкость среды симуляции позволяют справиться даже с сложными задачами проектирования, экономя ваше время и позволяя сосредоточиться на достижении лучшей реализации дизайна.