Thiết kế Bộ Chuyển Đổi DC-DC Hiệu Quả: Đo Lường Tự Động với Altium Designer 24 MixedSim

Một trong những thách thức chính trong lĩnh vực điện tử hiện đại là cung cấp giải pháp nguồn điện phù hợp. Phần này có thể bao gồm nhiều loại SMPS (nguồn cung cấp điện chuyển mạch) khác nhau như bộ chuyển đổi AC sang DC hoặc DC sang DC. Trong các ứng dụng công suất cao, việc chuyển đổi AC sang DC có thể yêu cầu một bộ điều khiển PFC để đạt được hệ số công suất tốt của thiết bị (tức là giảm hài và tiêu thụ công suất hiển thị). Những thách thức điển hình trong thiết kế SMPS là:

1. số lượng bộ điều chỉnh SMPS để đạt được điện áp và dòng điện cung cấp yêu cầu bởi thiết kế;
2. chi phí triển khai;
3. diện tích cần thiết để triển khai thiết kế;
4. thiết kế bố cục;
5. hiệu suất và giảm nhiệt hoặc thiết kế hỗ trợ quản lý nhiệt.

Các điểm "d" và "e" có thể dễ dàng được giải quyết với Altium Designer Mixed Simulation. Ví dụ, bạn có thể mô phỏng mật độ dòng điện trong PCB sử dụng Power Analyzer của Keysight, có thể được tích hợp với Altium Designer. Bài viết này đi sâu vào việc làm cho bộ chuyển đổi DC-DC buck hiệu quả hơn, chia sẻ một số mẹo đơn giản và hiệu quả để ước lượng hiệu suất của nó một cách nhanh chóng.

Về Thiết Kế Bộ Chuyển Đổi Buck

Sơ đồ cơ bản của bộ chuyển đổi buck được hiển thị trong Hình 1:

Hình 1

Nó sử dụng bốn bộ khuếch đại hoạt động để tạo ra bộ tạo tín hiệu ramp (U3A), bộ khuếch đại lỗi (U1B), bộ đệm cho tín hiệu ramp (U2B) và bộ điều chế (U2A). Điện áp tham chiếu được mô phỏng như một nguồn DC được kết nối với bộ khuếch đại lỗi thông qua mạng lưới RC, cung cấp tính năng khởi động mềm. Hình 1 là một bộ chuyển đổi chế độ điện áp, sử dụng điều chế PWM để thiết lập điện áp đầu ra.

Giai đoạn công suất được xây dựng xung quanh Q1, L1, D2 và C2, với R7 phục vụ như là điện trở tải cho bộ chuyển đổi. Các thành phần liên quan đến U3A thiết lập tần số hoạt động, có thể dễ dàng điều chỉnh bằng cách thay đổi C1. Với C1 được thiết lập là 4.3nF, tần số là khoảng 100kHz.

Mạng lưới bù, ảnh hưởng đến sự ổn định của bộ chuyển đổi, có thể được điều chỉnh để cải thiện sự ổn định hoặc phản ứng bước (C4, C3-R10 và R12-C6). R8 và R9, cùng với điện áp tham chiếu, thiết lập điện áp đầu ra. Trong trường hợp này, R8 và R9 tạo ra một bộ chia 1:2, dẫn đến điện áp đầu ra là 6V.

Hình 2 cho thấy các tín hiệu được thu thập trong quá trình mô phỏng. Dòng điện đầu ra được thiết lập là 2A, điều này cũng được phản ánh trong dòng điện trung bình qua L1.

Hình 2

Để ước lượng hiệu suất của thiết kế, hai lượng cần được tính toán từ thiết kế: công suất đầu vào và công suất đầu ra. Tỉ lệ của công suất đầu ra so với công suất đầu vào là hiệu suất.

Mô phỏng SPICE trong Altium Designer có thể dễ dàng cung cấp các phép tính công suất và phép chia của các lượng này để xác định giá trị hiệu suất.

Cách Tính Công Suất Đầu Vào

Công suất đầu vào cho bộ chuyển đổi DC-DC đến từ V1 (một nguồn DC). Bạn có thể lấy công suất V1 từ cửa sổ Add Output Expression, truy cập qua tab Simulation Dashboard (xem Hình 3).

Hình 3

Hình 4 cho thấy biểu đồ công suất (biểu đồ 4):

Hình 4

Để tính toán mức tiêu thụ công suất, bạn có thể làm trung bình dạng sóng sử dụng biểu thức AVG() (xem Hình 5).

Hình 5

Hình 6 trình bày dạng sóng trung bình, mặc dù một số sóng nhỏ có thể thấy do phạm vi cửa sổ. Mức tiêu thụ công suất có thể được đọc bằng cách sử dụng con trỏ, hiển thị 13.26W.

Hình 6

Để lấy giá trị tức thời của công suất được cung cấp cho bộ chuyển đổi, một phép đo có thể được cấu hình như được hiển thị trong Hình 7.

Hình 7

Ngoài ra, hàm AVG() nên được loại bỏ khỏi biểu thức sóng để tránh việc tính trung bình một sóng đã được tính trung bình từ trước, vì điều này có thể dẫn đến sự không chính xác. Tab Đo lường Dữ liệu Mô phỏng sẽ hiển thị công suất do V1 cung cấp, như được hiển thị trong Hình 8.

Hình 8

Cách Tính Công Suất Đầu Ra

Việc tính toán công suất đầu ra (được cung cấp cho R7) có thể được thực hiện theo cùng một cách, như được hiển thị trong Hình 9 và Hình 10.

Hình 9: Cấu hình cho đường cong công suất của R7

Hình 10: Giá trị công suất đầu vào (PWR-IN) và đầu ra (PWR-OUT) được thu được thông qua "Đo lường"

Cách Tính Hiệu Suất

Bước tiếp theo để tính toán hiệu suất là chia công suất đầu ra cho công suất đầu vào. Một cách để làm điều này là tạo một dấu vết trên biểu đồ đại diện cho phép chia hai công suất (Hình 11) và lấy giá trị trung bình (Hình 12). Tùy chọn, bạn có thể nhân với 100 để hiển thị kết quả dưới dạng phần trăm. Lưu ý rằng hàm AVG() trong Phép đo được áp dụng trong khoảng thời gian từ 875µs đến 1ms để chỉ lấy trung bình phần sóng có thể được coi là trạng thái ổn định (xem Hình 13).

Hình 11: Biểu thức dấu vết cho hiệu suất

Hình 12 & 13: Cấu hình đo lường cho việc tính toán hiệu suất

Giá trị hiệu suất được hiển thị trong tab Dữ liệu Mô phỏng (Hình 14). Giá trị đo được là 0.82 (82%). Có thể cần thêm thay đổi đối với thiết kế trong Hình 1 để tăng hiệu suất lên một giá trị cao hơn (tức là, để giảm bớt sự tỏa nhiệt). Ví dụ, có thể sử dụng chỉnh lưu đồng bộ thay vì D2, hoặc tăng cường độ lái cho cổng của Q1.

Hình 14: Hiệu suất của bộ chuyển đổi DC-DC được hiển thị trong tab "Measurements"

Kết luận

Mô phỏng SPICE trong Altium Designer có thể giải quyết các thách thức thiết kế nguồn cung cấp của bạn để giảm thời gian và chi phí. Việc đo lường hiệu suất hoặc dòng điện cuộn cảm, cũng như việc điều chỉnh thiết kế theo thời gian thực, có thể dễ dàng được thực hiện bằng cách sử dụng các tùy chọn nâng cao như Đo lường và các phép toán toán học. Sự dễ sử dụng và linh hoạt của môi trường mô phỏng có thể xử lý ngay cả những thách thức thiết kế phức tạp, giúp bạn tiết kiệm thời gian và cho phép bạn tập trung vào việc đạt được cách thực hiện thiết kế tốt nhất.