Archiv der Kategorie: EPAP – Tools

Zweistufiger Filter ergibt ein rauscharmes Netzteil

Im folgenden Beispiel geht es um einen Abwärtswandler mit einer Schaltfrequenz von 570 kHz , einer Eingangsspannung von 12 V und einem für 3 V und 5 A ausgelegten Ausgang, dessen Spannungswelligkeit maximal 100 µVpp (40 dBµVpp) betragen darf. Die Schaltfrequenz schlägt mit rund 5 Vpp (135 dB µVpp) an den Ausgang durch. Die deshalb erforderliche Abschwächung von 95 dB erfordert einen zweistufigen Filter, denn ein einstufiger Filter kommt infolge der parasitären Effekte der verwendeten passiven Bauelemente auf nicht mehr als 60 dB. Ist die Entscheidung zugunsten eines zweistufigen Filters (Bild 1) einmal gefallen, müssen die Eckfrequenzen der Filter und die zu verwendenden Bauelemente festgelegt werden.

Bild 1: Mit diesem zweistufigen Filter wird eine gut bedämpfte Abschwächung um 90 dB erreicht  (Bild: TI) Bild 1: Mit diesem zweistufigen Filter wird eine gut bedämpfte Abschwächung um 90 dB erreicht (Bild: TI)

Bei diesem Konzept wird die Ausgangsdrossel L1 zunächst wie bei jedem Abwärtswandler anhand des zulässigen Ripple-Stroms gewählt. Den ersten Filterkondensator C1 dimensioniert man außerdem so, dass sich eine Abschwächung von 60 dB einstellt. Die zweite Stufe wird demgegenüber stark bedämpft und steuert eine eher moderate Abschwächung von 35 dB bei. Das Kapazitätsverhältnis zwischen der ersten (C1) und der zweiten Stufe (C2) wird auf 1:10 eingestellt. Man erreicht hiermit verschiedene Dinge:

 

  • 1. Die Resonanzfrequenzen beider Filterstufen liegen weit auseinander.
  • 2. Der geringe Wellenwiderstand der zweiten Stufe erleichtert das Bedämpfen.
  • 3. Der Großteil der Ausgangskapazität ist in der zweiten Stufe angesiedelt, sodass die Auswirkungen einer zusätzlichen Lastkapazität verringert werden und ein gutes Ansprechverhalten erzielt wird.
  • 4. Minimierte Spitzen im Resonanzverhalten der zweiten Stufe erleichtern die Kompensation der Regelschleife.

Legt man als Peak-to-Peak-Ripple-Strom in der Drossel der ersten Stufe einen Wert von 1 A, also 20 % des Nenn-Ausgangsstroms fest, muss die Ausgangsdrossel L1 eine Induktivität von 6,8 µH haben, was bei der Schaltfrequenz eine Impedanz von 24 Ω ergibt. Damit die erste Stufe eine Abschwächung von 60 dB ergibt, muss die Impedanz des Kondensators C1 bei der Schaltfrequenz ungefähr 24 mΩ betragen, was einem Kapazitätswert von rund 10 µF entspricht.

Gemäß dem vorab festgelegten Kapazitätsverhältnis von 1:10 zwischen der ersten und der zweiten Stufe muss C2 folglich 100 µF betragen, was eine Impedanz von 2,8 mΩ bei der Schaltfrequenz ergibt. Die Drossel der zweiten Stufe (L2) wird so gewählt, dass sie ihre Abschwächungswirkung etwas größer ist als die geforderten 35 dB, denn die zweite Stufe wird durch RD bedämpft. Für eine Abschwächung von 40 dB wird eine Impedanz von 240 mΩ und somit eine Induktivität von 68 nH benötigt. Um etwas Spielraum zu haben, entschied ich mich hier für 220 nH. Schließlich sollte die zweite Stufe bedämpft werden. Der Dämpfungswiderstand RD ist zunächst so zu wählen, dass sein Widerstandswert der Drosselimpedanz der zweiten Stufe bei der Schaltfrequenz entspricht.

Bild 2: Mit dieser Schaltung wird das Welligkeitsverhalten simuliert  (Bild: TI) Bild 2: Mit dieser Schaltung wird das Welligkeitsverhalten simuliert (Bild: TI)

An dieser Stelle lohnt es sich, P-SPICE ins Spiel zu bringen, um festzustellen, wie sich die Werte der Bauelemente auf die Performance auswirken. Mit P-SPICE kann nicht nur die Welligkeit des Filters im Zeitbereich simuliert werden, sondern auch die Eigenschaften der Regelschleife lassen sich im Frequenzbereich nachbilden, wie schon im Power-Tipp Nr. 50 gezeigt wurde. Im Schaltbild für die Welligkeits-Simulation (Bild 2) erkennt man sofort die Filterbauteile und den Verbraucher. Der Abwärtswandler wird durch die zwei Spannungsquellen U1 und U2 simuliert. Während U2 im gesamten Filter die Anfangsbedingung von 3 V einstellt, simuliert U1 das Schalten der Leistungsstufe. Die auf 1,75 µs eingestellte Schaltperiode entspricht ungefähr der Schaltfrequenz von 570 kHz. Das On-Intervall ist auf exakt 25 % eingestellt.

Bild 3: Die Simulationsergebnisse korrelieren gut mit den Resultaten der manuellen Berechnungen  (Bild: TI) Bild 3: Die Simulationsergebnisse korrelieren gut mit den Resultaten der manuellen Berechnungen (Bild: TI)

Die in Bild 3 dargestellten Simulationsergebnisse ähneln den Resultaten der ersten Berechnungen. Verbessern lässt sich die Simulation, indem man die parasitären Komponenten einbezieht. Neben den effektiven Serienwiderständen und induktiväten der Kondensatoren handelt es sich hierbei um den Kapazitätsbelag der Drosseln. Sie werden feststellen, dass es nicht ohne zusätzliche Filtermaßnahmen geht, sobald man die effektive Serieninduktivität von C2 berücksichtigt.

Die Simulation ist übrigens nicht ganz ernst gemeint, denn es würde geradezu heroische Anstrengungen erfordern, das Ausgangsrauschen eines Schaltwandlers auf eine Größenordnung von 100 µV zu reduzieren. Nicht nur die parasitären Elemente der Filterbauteile, sondern auch induktive oder kapazitive Kopplungen in die zweite Filterstufe könnten dazu führen, dass die simulierte Abschwächung in der Praxis deutlich geringer ausfällt. Außerdem ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass die zweite Filterstufe ebenso wie der Verbraucher vom übrigen System abgeschirmt werden muss. Auch der Einsatz von Durchführungs-Kondensatoren mit minimalen ESL-Werten ist zu erwägen.

Zusammenfassend kann P-SPICE als guter Ausgangspunkt für das Design eines zweistufigen Filters am Ausgang eines Netzteils bezeichnet werden. Der vorliegende Artikel beschrieb, wie sich mithilfe einer Simulation im Zeitbereich eine Prognose über die zu erwartende Welligkeit anstellen lässt. Die vorgeschlagene Designstrategie sieht ein Maximieren der Kapazität in der zweiten Filterstufe und ein Bedämpfen dieser Stufe vor. Der im kommenden Monat folgende Beitrag wird zeigen, wie sich mit dieser Strategie ein breitbandiges Netzteil realisieren lässt und wie sich die Auswirkungen zusätzlicher Kapazitäten minimieren lassen, die vom Kunden möglicherweise an den Netzteilausgang angeschlossen werden.

Netzteil-Regelschleife mit P-SPICE

Das verwendete IC arbeitet mit einem Transkonduktanz-Fehlerverstärker und einer internen Spannungsreferenz. Die mit R6 und R7 abgetastete Ausgangsspannung wird mit der internen Referenzspannung von 0,8 V verglichen, woraufhin der Fehlerverstärker am Anschluss COMP (Pin 8) einen Strom ausgibt, dessen Höhe proportional zur Differenz zwischen Soll und Ist-Spannung ist.

Bild 1: Dieser integrierte Current-Mode-Schaltregler bedient sich zur Bandbreitensteigerung einer Kompensation des Typs 3. Bild 1: Dieser integrierte Current-Mode-Schaltregler bedient sich zur Bandbreitensteigerung einer Kompensation des Typs 3.

Der Strom fließt über Kompensations-Impedanzen zur Masse und erzeugt eine Spannung, die den Strom in der Drossel L1 so variiert, dass für eine geregelte Ausgangsspannung gesorgt ist. Das IC bedient sich der Current-Mode-Regelung, um die Ausgangs-Drossel L1 in eine Stromquelle zu verwandeln.

Der Strom in L1 ist stets proportional zu der an COMP anliegenden Ausgangsspannung des Fehlerverstärkers. Der Drosselstrom fließt über den Ausgangskondensator und den Lastwiderstand und erzeugt dabei eine Spannung, die den Regelkreis schließt.

Bild 2: Die Abtastverzögerung wird in diesem P-SPICE-Modell durch eine Verzögerungsleitung simuliert Bild 2: Die Abtastverzögerung wird in diesem P-SPICE-Modell durch eine Verzögerungsleitung simuliert

Bild 2 zeigt ein auf dem Schaltplan von Bild 1 basierendes P-SPICE-Modell. Die Kompensations-Bauteile R3, C3 und C13 sowie die Widerstände des Spannungsteilers sind identisch mit jenen im Schaltplan. Unterschiede zwischen Schaltplan und Modell bestehen dagegen in folgender Hinsicht:

  •  Der Transkonduktanz-Verstärker und die Leistungsstufe sind als spannungsgesteuerte Stromquellen modelliert.
  • Mit dem Einfügen von Reramp und dem Anheben der Kapazität von C7 werden die internen parasitären Elemente im Zusammenhang mit dem Fehlerverstärker nachgebildet.
  •  Die Kapazität des Ausgangskondensators C11 wird von 47 µF auf 30 µF geändert, um die Kapazitätsreduzierung infolge der DC-Vorspannung zu berücksichtigen.
  • VAC wird eingefügt, damit die Schleifenverstärkung als Verhältnis zwischen der eingespeisten Spannung und der Rückspannung gemessen werden kann.
  • Einfügung der Verzögerungsleitung T1 und des Abschlusswiderstands Rdl. Diese letzte Modifikation hat den Zweck, die Abtastverzögerung der Regelschaltung zu simulieren.

Zwischen dem Zeitpunkt, zu dem die Schaltung ihren Zustand wechseln sollte, und dem tatsächlichen Zustandswechsel existiert immer eine gewisse Verzögerung. Da die durchschnittliche Verzögerungszeit einer halben Schaltperiode entspricht, wird eine Verzögerungsleitung mit genau dieser Zeitkonstante eingefügt und mit einem Abschlusswiderstand von 50 Ω versehen.

Bild 3: Die gemessene Bandbreite der Regelschleife liegt bei einem Drittel der Schaltfrequenz Bild 3: Die gemessene Bandbreite der Regelschleife liegt bei einem Drittel der Schaltfrequenz

Bild 3 gibt die gemessene Schleifenverstärkung des in Bild 1 dargestellten Netzteils wieder. Die Schaltfrequenz des Netzteils beträgt 600 kHz, sodass die nahe 200 kHz liegende Durchtrittsfrequenz ungefähr ein Drittel der Schaltfrequenz ausmacht. Bei einem derart großen Verhältnis zwischen Schalt und Durchtrittsfrequenz darf die Phasenverzögerung des Modulators nicht vernachlässigt werden. Bei 300 kHz (der halben Schaltfrequenz) bewirkt die Abtastverzögerung immerhin eine Phasenverzögerung von 90°.

 

Bild 4: Die zusätzlich eingefügte Verzögerungsleitung verbessert die Genauigkeit des Modells bei hohen Frequenzen Bild 4: Die zusätzlich eingefügte Verzögerungsleitung verbessert die Genauigkeit des Modells bei hohen Frequenzen

Bild 4 zeigt die Simulationsergebnisse für Schleifenverstärkung und Phasengang. Es werden zwei Gruppen mit je zwei Kurven erzeugt, nämlich Verstärkung und Phasengang jeweils vor und nach der Verzögerungsleitung. Simulierte und gemessene Verstärkung zeigen eine gute Übereinstimmung, während der Phasengang ohne Verzögerungsleitung deutlich von der gemessenen Kurve abweicht. Die signifikante Abweichung im Phasengang beginnt bei etwa einem Zehntel der Schaltfrequenz und steigt bis zur Durchtrittsfrequenz auf rund 65° an.

Durch Hinzufügen der Verzögerungsleitung erreicht man, dass Verstärkungs und Phasengang gut korrelieren. Wenn man die Durchtrittsfrequenz weiter an die Schaltfrequenz annähert, wird das Einfügen der Verzögerungsleitung in das Modell immer wichtiger, um zu gewährleisten, dass die Simulationsergebnisse den realen Messungen entsprechen.

Zusammenfassend ist zu sagen, dass sich die Regelschleife eines Netzteils ohne weiteres mit einfachen spannungsgesteuerten Stromquellen nachbilden lässt. Im vorliegenden Design wurden die spannungsgesteuerten Stromquellen zur Modellierung des Transkonduktanzverstärkers und des Leistungsverstärkers genutzt. Ebenso hätte man jedoch spannungsgesteuerte Spannungsquellen zum Modellieren der Voltage-Mode-Regelung verwenden können.

Wichtig ist es, auch die Werteverschiebungen zu modellieren, die in Kondensatoren durch Vorspannungen und in Drosseln durch Ströme hervorgerufen werden. Auch sollten Abtastverzögerungen mit Verzögerungsleitungen nachgebildet werden, wenn man beabsichtigt, die Regelschleife des Netzteils bei einer Frequenz zu schließen, die größer als ein Zehntel der Schaltfrequenz ist. Beachtet man diese einfachen Regeln beim Design eines Netzteils, reduziert sich der Zeitaufwand für die Fehlersuche beim Bau der Hardware im Labor.

Mit Simulationswerkzeugen Stromversorgungen entwerfen

Dieser Schaltungstipp stellt zwei Entwicklungswerkzeuge vor, welche dabei helfen, optimierte Stromversorgungen zu entwickeln.

Beim Entwurf einer optimierten Stromversorgung müssen Entwickler viele Entscheidungen treffen. Um diese so einfach wie möglich zu gestalten, gibt es eine Vielzahl an Entwicklungswerkzeugen. Hersteller von Schaltreglern helfen auf ihrer Webseite dabei, die richtige Spannungswandler-Topologie auszuwählen. Hier gibt der Entwickler die gewünschten Ströme und Spannungen ein und erhält Vorschläge zu möglichen Schaltungstopologien. In Einzelfällen werden unübliche Topologien nicht vorgeschlagen. Generell funktioniert dieser Auswahlprozess jedoch gut.

Tools berechnen schnell

Simulationswerkzeug ADIsimPE zum schnellen Simulieren mit SIMetrix/SIMPLIS (Bild: Analog Devices)
Simulationswerkzeug ADIsimPE zum schnellen Simulieren mit SIMetrix/SIMPLIS

Um die optimierten passiven Bauteile geschickt auszuwählen sind viele Berechnungen notwendig. Die entsprechenden Datenblätter der Schaltregler enthalten die entsprechenden Formeln zur Berechnung. Da es viele Abhängigkeiten der verschiedenen Berechnungen zueinander gibt, ist es üblicherweise für eine Optimierung notwendig, iterativ viele Berechnungen anzustellen. Diese können sehr viel Zeit benötigen. Besonders wenn nicht nur die typischen Werte der Bauteile berücksichtigt werden, sondern wirkliche Werte in unterschiedlichen Betriebszuständen.

Beispielsweise können sich die Kapazitäten von Kondensatoren und die Induktivitäten von Drosseln bei veränderter Temperatur, sowie unterschiedlichen Betriebsbedingungen wie unterschiedliche Strömen und Spannungen, verändern. Für diese komplexen Berechnungen hat es sich als sinnvoll erwiesen, Berechnungswerkzeuge zu nutzen. Anfänglich haben sich Entwickler von Stromversorgungen eigene Berechnungs-Sheets in Kalkulationprogrammen wie etwa Excel erstellt.

Heute gibt es passende Werkzeuge von den Herstellern der Schaltregler. Diese sind mittlerweile sehr ausgereift wie beispielsweise das ADIsimPower-Werkzeug von Analog Devices. Auf dem ersten Bild ist die graphische Benutzeroberfläche zu sehen.

Bei der Schaltungsberechnung werden die Parameter von echten Bauteilen zugrunde gelegt. Details wie die Kernverluste der Drosseln sowie Kapazitätsreduktion aufgrund von DC-Spannungsvorladung sind berücksichtigt. Somit liegen die berechneten Ergebnisse sehr nahe an gemessenen Werten einer aufgebauten Schaltung mit echten Bauteilen.

ADIsimPower liefert nach wenigen Momenten eine optimierte Stückliste mit zugrunde liegenden Bauteilenummern von verschiedenen Herstellern aus der hinterlegten Datenbank. Bevor die Schaltung mit den entsprechenden Bauteilen aufgebaut wird, besteht die Möglichkeit die Schaltung bereits in der Simulation zu testen. In diesem Schritt kann man sich sehr detailliert mit der Schaltung auseinandersetzen und Überraschungen bei der Evaluierung der ersten Hardware vermeiden.

Simulationswerkzeug ADIsimPE zum schnellen Simulieren mit SIMetrix/SIMPLIS (Bild: Analog Devices)
Simulationswerkzeug ADIsimPE zum schnellen Simulieren mit SIMetrix/SIMPLIS

Es gibt unterschiedliche Simulationsumgebungen für Stromversorgungen. Die am häufigsten verwendeten sind Spice in den unterschiedlichsten Derivaten sowie für Stromversorgungen optimierte Umgebungen wie beispielsweise SIMetrix/SIMPLIS.

Letzteres hat gute Eigenschaften was die Konvergenz der Schaltungsmodelle betrifft. Dadurch ist eine Schaltungssimulation einfach und schnell.

SIMPLIS ist für das Simulieren von Stromversorgungen optimiert. Auftretende Schaltübergänge werden wesentlich schneller berechnet, was zu einer Beschleunigung um den Faktor 10 bis 50 im Vergleich zu anderen Simulationsmethoden wie beispielsweise Spice führt. Dadurch lassen sich unterschiedliche Schaltungsszenarien in kürzester Zeit mit dem Simulator ausprobieren.

Oberfläche eines Werkzeuges zum Optimieren einer Stromversorgung. (Bild: Analog Devices)
Oberfläche eines Werkzeuges zum Optimieren einer Stromversorgung.

Eine Simulation ersetzt die Berechnung einer optimierten Schaltung nicht. Durch einen schnellen Simulator wie ADIsimPE von Analog Devices wird auch iterativ optimiert. Auf dem zweiten Bild ist die graphische Benutzeroberfläche zu sehen. Die zuvor ermittelten Werte können mit ADIsimPower eingelesen werden.

Die Simulation erfolgt mit den zur Verfügung gestellten Modellen der Schaltregler sowie unterschiedlichen Schaltungsvorschlägen. Dadurch kann sofort mit dem Simulieren losgelegt werden. Die Schaltung kann dann beliebig angepasst und ergänzt werden. Snubber (Schwingungsdämpfer) reduzieren die Spannungsspitzen am Schaltknoten und Filter verringern die Ausgangsspannungswelligkeit. Die Simulationen finden auf dem eigenen Rechner statt und die Ergebnisse stehen zukünftig als Referenzen zur Verfügung. Die Software ADIsimPE kann kostenfrei auf der Firmenwebseite heruntergeladen werden.

Der Autor: Frederik Dostal, Analog Devices

Signalintegrität und Wellenwiderstand von Bauelementen

Beim Versuch, Signale bei der Übertragung auf einer Leiterplatte zu stabilisieren, können Signalintegritäts-Probleme eine Reihe interessanter Effekte hervorrufen. Eine einfache Lösung für diese Probleme bringen die IBIS-Modelle, aus denen sich wichtige Variablen für Signalintegritäts-Berechnungen und das Leiterplattendesign extrahieren lassen.

Die Werte, die man aus einem IBIS-Modell entnehmen kann, sind ein integraler Bestandteil der Berechnungen, die beim Design zum Thema Signalintegrität durchgeführt werden. Beim Anpassen von Leitungen in einem System müssen die elektrischen Impedanzen und Eigenschaften der integrierten Schaltungen und Leiterbahnen bekannt sein.

Bild 1: Schema einer massebezogenen Übertragungsleitung mit Sender, Leitung und Empfänger (Bild: TI)

Bild 1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer massebezogenen Leitung. Für die Leitung können die Ausgangs-Impedanz des Senders (ZT, Ω) und die Eingangsimpedanz des Empfängers (ZR, Ω) aus dem IBIS-Modell des Schaltkreises entnommen werden. Die Datenblätter der IC-Hersteller enthalten diese Angaben unter Umständen nicht, doch lassen sich die Werte allesamt aus dem IBIS-Modell des betreffenden Bausteins extrahieren.

Wellenwiderstand, Signallaufzeit und Leiterbahnlänge

Übertragungsleitungen werden durch vier Parameter definiert: den Wellenwiderstand (Z0, Ω), die spezifische Signallaufzeit auf der Leiterplatte (D, ps/cm), die Signallaufzeit in der Leitung (tD, s) und die Leiterbahnlänge (LENGTH, cm). Der Z0-Wert einer FR-4-Leiterplatte liegt typischerweise zwischen 50 und 75 Ω, während D zwischen 55 und 71 ps/cm beträgt. Die tatsächlichen Werte von Z0 und D hängen vom Werkstoff der Übertragungsleitung und ihren mechanischen Abmessungen ab [1]. Die Signallaufzeit (tD) auf der jeweiligen Leiterplatte ist das Produkt aus der spezifischen Signallaufzeit D und der Leiterbahnlänge LENGTH. Bei FR-4-Platinen mit einem Wellenwiderstand von 50 Ω liegt die spezifische Signallaufzeit einer Leiterbahn bei 70 ps/cm.

Entscheidend ist die Ausgangsimpedanz

Der entscheidende Wert, der zur Beurteilung der Signalintegrität benötigt wird, ist die Ausgangsimpedanz ZT. Damit man die Ausgangsimpedanz ermitteln kann, enthält der mit [Pin] überschriebene Bereich des IBIS-Modells die ohmschen, induktiven und kapazitiven Widerstandskomponenten zu jedem Pin. Um ein klareres Bild zu erhalten, nimmt man zur Gehäusekapazität noch die Kapazität des jeweiligen Puffers (C_comp) hinzu.

Bild 2: Das Listing des Modells ads1296zxg samt der Werte für C_pin (Bild: TI)

Das Schlüsselwort [Pin] bezieht sich auf ein bestimmtes Gehäuse, das von den Angaben unter [Component], [Manufacturer] und [Package] oberhalb des Schlüsselworts [Pin] beschrieben wird. Man findet die Gehäuse spezifische Kapazität und Induktivität für den jeweiligen Pin in der Tabelle zum Schlüsselwort [Pin]. Zum Beispiel ist im Modell ads129x.ibs [2] (Bild 2) zu sehen, wo man nach den Werten L_pin und C_pin des Signals GPIO4 an Pin 5E (PBGA-64-Gehäuse) suchen muss. Die Werte L_pin (Pin-Induktivität) und C_pin (Pin-Kapazität) für dieses Signal und dieses Gehäuse lauten 1,489 nH bzw. 0,28001 pF. Der zweite interessierende Kapazitätswert ist die Angabe C_comp unter dem Schlüsselwort [Model]. Bild 3 zeigt ein Beispiel für die Auflistung von C_comp im Modell DIO_33 [2].

Bild 3: Beispiel für die Auflistung von C_comp im Modell DIO_33 [2] (Bild: TI) Bild 3: Beispiel für die Auflistung von C_comp im Modell DIO_33 [2] (Bild: TI)In Bild 3 steht das Zeichen ‚|‘ stets für einen Kommentar. Die C_comp-Angaben [3] lauten hier: C_comp_typ (nom PVT): 3,0727220 e–12 C_comp_min (fast PVT): 2,3187130 e–12 C_comp_max (slow PVT): 3,8529520 e–12 Die Liste lässt dem Leiterplattendesigner die Entscheidung zwischen drei Werten. Für das Design der Übertragungsleitung auf der Leiterplatte ist der typische Wert von 3,072722 pF die richtige Wahl.

Literatur

[1] Johnson, G.: High-speed Digital Design: A Handbook of Black Magic, Prentice Hall, ISBN: 0-13-395724-1 [2] ads129x.ibs, IBIS Model, sbam021b,Texas Instruments [3] Baker, B.: “Beyond the Data Sheet with IBIS”, EDN, 25. Mai 2011

Von Bonnie Baker, Texas Instruments.

WEBENCH Schematic Editor

Auf der diesjährigen APEC in Fort Worth (USA) hat Texas Instruments die aktuellste Erweiterung  seines Simulationswerkzeuges WEBENCH vorgestellt: Mit dem editierbaren Schematic Editor lassen sich Power-Management-Schaltungen individuell anpassen.

 Die aktuelle Erweiterung des WEBENCG Power Designers ist eine hilfreiche Editierfunktion
Die aktuelle Erweiterung des WEBENCG Power Designers ist eine hilfreiche Editierfunktion

Es war ruhig geworden um das Online-Simulationswerkzeug für Stromversorgungen, Beleuchtungs- und Sensor-Applikationen WEBENCH. Das hat einerseits sicher mit dem Weggang von Phil Gibson zu tun, andererseits haben die Ingenieure bei Texas Instruments seit der electronica 2012 fleißig getüftelt. Herausgekommen ist der Schematic Editor, mit dem man erstellte Analogschaltungen nach eigenem Gusto oder Erfahrungsschatz modifizieren und simulieren kann. Denn automatische Algorithmen sind zwar praktisch und hilfreich, aber manchmal hat der erfahrene Ingenieur an bestimmten Punkten die bessere Idee.

So lassen sich jetzt mit dem Schematic Editor Stromversorgungsschaltungen durch zusätzliche Bauelemente und Verbindungen im Anschluss an die WEBENCH-Simulation modifizieren, SPICE-Simulationen mit der geänderten Schaltung durchführen und den modifizierten Schaltplan schließlich an eine CAD-Plattform exportieren.

 Jeff Perry, Texas Instruments: „Seit 1999 haben die kostenlosen WEBENCH-Tools von TI den Designprozess für mehr als 325.000 Ingenieure vereinfacht und beschleunigt. Mit den leistungsfähigen Berechnungs-Algorithmen und dem SPICE-Simulator von WEBENCH Power Designer lässt sich ein komplettes Design schnell online erstellen, optimieren und simulieren.“
Jeff Perry, Texas Instruments: „Seit 1999 haben die kostenlosen WEBENCH-Tools von TI den Designprozess für mehr als 325.000 Ingenieure vereinfacht und beschleunigt. Mit den leistungsfähigen Berechnungs-Algorithmen und dem SPICE-Simulator von WEBENCH Power Designer lässt sich ein komplettes Design schnell online erstellen, optimieren und simulieren.“

Mit diesem Feature soll sich laut Jeff Perry, Leiter des WEBENCH Design Centers und Nachfolger von Phil Gibson, der Zeitaufwand für das Design und die Verifikation von Stunden auf Minuten verkürzen.

Wichtige Eigenschaften des Schematic Editors

  • Mehrere Mixed-Output-Kondensatoren, Filter, parasitäre Effekte der Leiterplatte und Snubber-Schaltungen lassen sich in Netzteilschaltungen implementieren.
  • Bibliothek mit über 40.000 Bauelementen zur Anpassung der Schaltung.
  • Simulation individueller Power-Designs vor dem Export an CAD-Tools wie OrCAD Capture CIS (Cadence), Xpedition xDX Designer (Mentor Graphics) oder  EAGLE (CADSoft) sowie Altium-Formate wie Altium Designer.

Details erklärt Jeff in diesem Video
Die WEBENCH-Tools

WEBENCH Designer und Architect sind Online-Entwicklungswerkzeuge, mit denen sich Schaltungen komplett designen und simulieren lassen. Die Bauelemente-Bibliotheken umfassen mehr als 40.000 Bauteile von 120 Herstellern. Für die Designoptimierung und Produktionsplanung werden die Preis und Verfügbarkeitsinformationen von den TI-Distributionspartnern stündlich aktualisiert. Mit den in acht Sprachen verfügbaren Tools lassen sich in Minutenschnelle komplette Systemdesigns vergleichen und logistische Entscheidungen treffen.

 

Stromversorgungsschaltungen selbst gemacht

Eine Stromversorgungsschaltung zu entwickeln, das kann eine ziemlich aufwändige Aufgabe sein. Diese beginnt damit, die Komplexität der Schaltung zu verstehen und reicht bis zu Hilfestellungen seitens des Chip-Distributors. Der Artikel beschreibt, wie Sie mit den verfügbaren Hilfsmitteln schnell Ihr eigenes Netzteil entwerfen können – ohne Unterstützung durch den Hersteller.

Der Entwurf eines Netzteils ist durchaus anspruchsvoll, aber dank der mittlerweile verfügbaren Hard- und Software-Tools ist es heute einfacher als je zuvor. Sie können mittlerweile den Entwurf Ihrer Stromversorgungs-Schaltungen selbst in die Hand nehmen.

Lassen Sie uns mit dem Entwurf eines Abwärtswandlers oder im alten Sprachgebrauch Tiefsetzstellers beginnen. Ein erstklassiges Beispiel für eine solche Schaltung ist der TPS54331 für einen Ausgangsstrom von 3 A und eine Eingangsspannung von 28 V.

Der asynchrone Swift-Abwärtswandler mit Eco-mode verfügt über einen integrierten High-Side-MOSFET mit geringem RDS(on). Um den Wirkungsgrad bei niedriger Ausgangsleistung anzuheben, wird im Bedarfsfall automatisch der Eco-mode aktiviert, in dem Impulse übersprungen werden (Pulse Skipping). Die Hysterese der eingangsseitigen Unterspannungs-Sperre wird mit einem resistiven Spannungsteiler programmiert.

Der Hersteller dieses Bausteins bietet umfangreiche Unterstützung an. So enthält das Datenblatt zahlreiche Informationen über das Produkt – von den typischen Eigenschaften über eine Beschreibung des Bausteins bis hin zu Hinweisen für den Schaltungsentwurf [1]. Neben diesem detaillierten Datenblatt gibt es auch ein Evaluationsmodul [2].

 Bild 1: Layout des Evaluationsmoduls zum TPS54331
Bild 1: Layout des Evaluationsmoduls zum TPS54331

Dieses stellt eine Hardwareplattform (Bild 1) zum Durchmessen und Modifizieren der Schaltung zur Verfügung (Bild 2), wenn man sich dem finalen Schaltungsentwurf nähert.

 Bild 2: Schaltbild des Evaluationsmoduls zum TPS54331
Bild 2: Schaltbild des Evaluationsmoduls zum TPS54331

Bevor Sie sich jedoch endgültig für eine bestimmte Gleichspannungswandler-Schaltung entscheiden, sollten Sie ein Tool wie die Software SwitcherPro von Texas Instruments zu Rate ziehen. Wie Sie an diese Software kommen, erfahren Sie am besten bei Ihrem Distributor [3].

SwitcherPro Step by Step

Die als Online- und Desktopversion verfügbare Software ist für den Entwurf des Netzteils mit Bauelementen von Texas Instruments gedacht. Die Software gibt Ihnen die Gelegenheit, EVM-Referenzdesigns als Ausgangspunkt für Ihre eigenen Netzteil-Lösungen zu verwenden. Die Desktop-Version der Software räumt jetzt sogar noch mehr Flexibilität beim Erarbeiten von Stromversorgungs-Designs ein, da keine Internetverbindung mehr erforderlich ist. Sie können deshalb mit Ihrem ganz persönlichen Tempo an Ihrem Design arbeiten.

 Bild 3: Layout-Vorschlag der Software SwitcherPro für den TPS54331
Bild 3: Layout-Vorschlag der Software SwitcherPro für den TPS54331

SwitcherPro erstellt ein Schaltbild für den Netzteilentwurf und macht Layoutvorschläge. Nach dem Start der Software erkennen Sie auf der linken Seite des Fensters die Option ‚EVM Designs‘. Auch das im obigen Beispiel erwähnte EVM zum TPS54331 findet sich auf der hier erscheinenden Liste. Der Layout-Vorschlag für den DC-DC-Wandler TPS54331 ist in Bild 3 zu sehen. Beide Layouts, also sowohl das in Bild 1 als auch das in Bild 3, sind übrigens bereits getestet und erprobt.

SwitcherPro bietet Ihnen auch Gelegenheit, die Vorgaben an die Schaltung zu verändern oder auf einen anderen Baustein zu wechseln. Sie müssen hierzu nur das EVM-Design kopieren und die Option ‚Edit Circuit‘ wählen. In dieser Darstellung ist es möglich, die Maximal- und Minimal-Werte für den Eingang des Gleichspannungswandlers zu verändern und auch die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom zu modifizieren. Die Analysen ‚General‘, ‚Stress‘, ‚Efficiency‘ und ‚Loop‘ stehen zur Verfügung.

 Bild 4: Von SwitcherPro erstelltes Schaltbild für den TPS54331
Bild 4: Von SwitcherPro erstelltes Schaltbild für den TPS54331

Zum Abschluss des Designzyklusses können Sie zu Ihrem Evaluation Modul zurückkehren, die von SwitcherPro vorgeschlagenen Werte verändern und Ihre neue Schaltung verifizieren. Wenn Sie online arbeiten, können Sie Ihre Schaltung zudem recht einfach mit anderen Personen teilen.

Mir ist durchaus bewusst, dass die Aussagen in diesem Artikel das Risiko bergen, dass meine Dienste als Applikationsingenieur künftig weniger gefragt sind. Was zählt, ist jedoch, dass Sie künftig sagen können: „Ich kann mein Netzteil selbst entwerfen!“

Referenzen

  1. 3A 28V INPUT STEP DOWN SWIFT™ DC/DC CONVERTER WITH Eco-mode™ (Rev. C),  SLVS839C, Texas Instruments, March 2010.
  2. TPS54331EVM-232 3-A, SWIFT™ Regulator Evaluation Module,” SLVU247, Texas Instruments, July 2008.
  3. SwitcherProTM Switching Power Supply Design Tool

Von Bonnie Baker, Texas Instruments.

Ingenieure brauchen eine Alternative zum „On-the-Job“-Training

Die heutige Entwicklungsumgebung ist wesentlich komplexer als vor einem Jahrzehnt. Sie erstreckt sich über verschiedene Fachrichtungen und verlangt von Ingenieuren, dass sie auch auf Gebieten arbeiten, mit denen sie nicht vertraut sind. Die gleichen Technologiesprünge, die Fabriken, die bildgebende Medizintechnik, die Sicherheit im Automobilbereich und viele andere Anwendungen revolutionieren, bereiten Ingenieuren Kopfzerbrechen, weil man von ihnen erwartet, dass sie bahnbrechende Produkte schneller und mit kleineren Entwicklungsteams zur Marktreife bringen.

Noch vor kurzem konnten Ingenieure darauf vertrauen, in ihren individuellen Entwicklungsdisziplinen zu arbeiten. Sei es Analogtechnik, Powerdesign, Digitaltechnik oder Softwaremodellierung. Da diese Bereiche jedoch zunehmend verschmelzen, entstehen bei der Kombination einzelner komplexer Technologien in integrierte Subsysteme neue Herausforderungen für den Designer. Dies bedeutet, dass Entwickler nicht nur das fundierte technische Verständnis ihrer eigenen Disziplin haben müssen, sondern zur Realisierung ihrer Produkte interdisziplinär entwickeln müssen.

Keine Branche ist gegenüber diesem Trend geschützt, von der Kommunikationstechnik über den Bereich Motorsteuerungen bis hin zur Test- und Messtechnik. Hinzu kommt, dass Ingenieure oft zur Validierung jedes Funktionsblockes ihrer Signalkette separate Evaluation-Kits nutzen. Dabei hoffen sie, dass die verschiedenen Kits miteinander funktionieren und gewährleisten, dass sie schnell von der Simulation zur Evaluierung und zum Prototypen gelangen. Dies ist aber oft nicht der Fall.

Einheitlich über die gesamte Signalkette entwickeln

Aus diesen Gründen brauchen Elektronik-Ingenieure bessere Möglichkeiten, einheitlich über die gesamte Signalverarbeitungskette zu entwickeln.

Analog Devices arbeitet mit Firmen wie Xilinx und MathWorks zusammen, um den Ingenieuren zu helfen, Entwicklungslösungen schnell zu realisieren. Die Unternehmen bringen Experten aus den Bereichen Hochleistungs-Analogtechnik, FPGA und Simulationswerkzeuge zusammen, um komplette Signalketten- und systemfertige Lösungen für komplexe Entwicklungsherausforderungen zu erarbeiten. Die Zusammenarbeit verfolgt das Ziel, Entwicklungsrisiken zu reduzieren und die Grundlage für wertvolle Entwicklungslösungen anzubieten.

Software-defined Radio ist ein gutes Beispiel für einen Bereich, in dem Hochleistungs-Analogtechnik benötigt wird, um ein Signal mit hoher Frequenz zu erfassen, eine analoge Filterung bzw. Verstärkung oder Dämpfung durchzuführen und dann das digitalisierte Ausgangssignal an ein FPGA zur weiteren Verarbeitung weiterzuleiten.

 Bild 1: Beispiel eines Boards für SDR mit 14 verschidenen Analogbauteilen wie sie heute in der Schaltungsentwicklung üblich sind.
Bild 1: Beispiel eines Boards für SDR mit 14 verschidenen Analogbauteilen wie sie heute in der Schaltungsentwicklung üblich sind.

Im Beispiel von Bild 1 gibt es 14 verschiedene Analogbauteile. Selbst kleine Bauteiländerungen können sich enorm auf die HF-Leistungsfähigkeit des Boards auswirken.

Mit dem gemeinsamen Konzept der Firmen braucht ein Ingenieur keine 45 Jahre Erfahrung im Analogbereich. Außerdem muss er nicht 14 Datenblätter durcharbeiten. Stattdessen kann er sein Board direkt an ein Xilinx FPGA anschließen und die modellbasierten Entwürfe aus MathWorks nutzen, um die Schaltung aufzubauen. So lassen sich funktionierende Prototypen viel schneller fertigstellen.

Indem sie das vollständige Kommunikationssystem verbinden und Hardware sowie modellbasierte Simulation nutzen, können Ingenieure spezifische Algorithmen zur Übertragung oder zum Empfang von Signalen entwickeln und dann evaluieren, wie sich unterschiedliche Konfigurationen auf die gesamten Eigenschaften des Systems auswirken.

Zwar muss sich der Ingenieur noch immer mit allen Systemelementen befassen, braucht aber auf jedem einzelnen Gebiet kein Experte zu sein, um effizient zu entwickeln und Prototypen zu erstellen. Auch wenn dieses Konzept eventuell nicht die optimale Lösung für eine spezielle Schaltung bietet, lassen sich durch den beschleunigten Entwicklungsprozess Designrisiken reduzieren. Außerdem muss man bei dieser Vorgehensweise nicht langwierig Bauteile verschiedener Hersteller suchen.

Es ist unwahrscheinlich, dass Entwicklerteams in absehbarer Zeit größer oder Projektzeiten länger werden. Indem man künstliche Hürden überwindet und beim Systemdesign ein auf Zusammenarbeit ausgerichtetes Konzept verfolgt, hat die Industrie die Mittel, um besser auf den heutigen Druck in der Branche zu reagieren.

Einen Einblick in die Lösungen, die aus der Zusammenarbeit von Analog Devices mit Xilinx und MathWorks entstanden sind, geben die DC 13 Light-Konferenzen von Analog Devices, die im Herbst in Stuttgart, Köln und Berlin stattfinden. Die Teilnahme ist kostenlos. Die Termine: Stuttgart: 5.11.2013, Köln: 6.11.2013 und Berlin: 7.11.2013

Von Uwe Bröckelmann nach Unterlagen von Analog Devices.

Was gibt es Neues zu Webench?

Neu sind eine Exportfunktion der Schaltung an gängige CAD-Tools, die Beta-Version des Active Filter Designers, der Ausbau des Power Designers, bei dem Switcher Pro nun doch nicht implementiert wird.

Phil Gibson, der Ex-Chef vom Webench Design Center, wollte bei den Webench-Tools „das Beste aus beiden Welten [National Semiconductor und Texas Instruments, Anm. d. Red.] zusammenführen und neue Technologien einbinden.“

Bislang wurden Technik und Infrastruktur verbessert und zur electronica der „Webench Schematic Export“ vorgestellt, mit dem sich Schaltpläne an die gängigen CAD-Plattformen exportieren lassen.

Vor kurzem hat TI auch eine neue Beta-Version des Active Filter Designers veröffentlicht. Diese Version beinhaltet die Funktionen von FilterPro einschließlich Berechnungen der Übertragungsfunktionen. Aber auch Dienste aus dem originalen Webench Active Filter Designer, dazu gehört auch die elektromagnetische Simulation, wurden implementiert. Dazu kommt ein neuer Visualisierer, ein Grafiktool, das ähnlich dem Visualisierer im Webench PowerDesigner ist. Mit ihm kann man schnell verschiedene Übertragungsfunktionen vergleichen. Derzeit binden die Spezialisten noch verschiedene Operationsverstärker von TI ein, das soll im 2. Quartal 2013 abgeschlossen sein.

Die Beta-Version des Active Filter Designer kann man aber schon benutzen.

Switcher Pro wird jetzt doch nur als Standalone-Tool beibehalten. Bei TI ist man der Meinung, dass Webench Power Designer im Vergleich zu SwitcherPro verschiedene, verbesserte Funktionen enthält. Das betrifft Algorithmen für die Schaltungsoptimierung, die Simulation elektrischer Parameter sowie die thermische Simulation. Es werden also keine Funktionen aus SwitcherPro in Webench implementiert. Stattdessen bietet TI SwitcherPro als eigenständiges Werkzeug an, das nicht weiter gepflegt wird und so bleibt, wie es ist.

Das Hauptaugenmerk liegt, wie gehabt, darauf, die Leistungsbauteile von TI in den Webench Power Designer zu implementieren. Bisher wurden 158 Schaltregler und 52 LDOs überführt. Welche das sind, das findet man hier.

Version 1.7 des HF-Simulators ADIsimRF

Analog Devices hat jetzt Version 1.7 des Simulationswerkzeuges für die HF-Signalkette ADIsimRF auf den Markt gebracht. Berechnet werden kaskadierte Verstärkung, Rauschdiagramme, IP3, P1dB und Gesamt-Leistungsaufnahme.

Die aktuelle Version bietet deutliche Verbesserungen bei der Berechnung von Fehlanpassungen zwischen verschiedenen Stufen. So lässt sich der skalare Fehlanpassungsverlust berechnen, der durch unterschiedliche Ausgangs- und Eingangsimpedanzen zweier benachbarter Komponenten entsteht.

Auch die Modelle zahlreicher Bauelemente, deren Impedanz nicht 50 Ohm beträgt (z.B. I/Q-Demodulatoren, VGAs und ADC-Treiber), wurden modifiziert, um Fehlanpassungen zwischen den Stufen bei der Berechnung von IP3, P1dB, Verstärkung und Rauschzahl zu berücksichtigen.

Implementiert sind jetzt etwa 150 Bausteinmodelle, darunter der I/Q-Modulator ADRF6755 und die Treiberverstärker ADL5324, ADL5321 und ADL5320. Die Eingabe der Daten geschieht anwenderfreundlich über Pull-down-Menüs. Bei nicht konsistenten Werten erfolgt eine Warnung. In einem Fenster werden automatisch die berechneten Werte zu IMD, SDFR und SNR angezeigt, die Kanal-Bandbreite lässt sich frei wählen.

Der Simulator kann kostenlos heruntergeladen werden, die Software läuft unter Windows XP, Windows Vista und Windows 7.

Zum Videotutorial zu ADIsimRF (knapp 5 min).

Was sich mit dem Release 2012b für Matlab/Simulink alles ändert

Im Herbst des vergangenen Jahres hat Mathworks mit dem Release 2012b die aktuelle Version von Matlab/Simulink auf den Markt gebracht. Eine wesentliche Neuerung ist das sogenannte Look & Feel. Der Desktop ist jetzt mehr denn je auf Workflows ausgerichtet.

Funktionalität in Form von Buttons wird dann angezeigt, wenn man sie tatsächlich braucht. Möglich machen das die neuen Toolstrips, ein Konzept ähnlich den dynamischen Buttonleisten, die man von Microsoft-Anwendungen her gewohnt ist. Neue Funktionen lassen sich besser auffinden, da viele Tools mit grafischen Oberflächen, die in Matlab und den Toolboxen mitkommen, jetzt in Form von Apps im neuen Toolstrip zur Verfügung stehen. Die Benutzeroberfläche ist insgesamt aufgeräumter. Alles ist an einem Ort und dann sichtbar, wenn es gebraucht wird. Die moderne Oberfläche erinnert an ein Smartphone oder Tablet-Geräte, mit denen viele Anwender sehr vertraut sind.

Über viele Jahre hinweg wurden alle sechs Monate neue Funktionen hinzugefügt, aber nicht immer haben die Anwender diese auch schnell gefunden. Der Umstand, dass der Desktop überarbeitet wurde, heißt nicht, dass nicht in anderen Bereichen ebenso investiert wird. Viele Teams sind ständig damit beschäftigt, laufend verschiedene Aspekte zu verbessern. Dazu gehört auch der Desktop.

Um nur drei Beispiele zu nennen: Im Bereich Test & Measurement ist in den letzten Jahren wieder viel zusätzliche Unterstützung zum direkte Anbinden von Matlab an Messhardware dazugekommen. Als wichtiger Schritt im Bereich der Objektorientierten Programmierung lassen sich jetzt abstrakte Klassen verwenden, was vor allem Informatiker freuen wird. Sie brauchen nicht nur die mathematischen Fähigkeiten, sondern auch die Eigenschaften als vollwertige Programmiersprache. Ein besonderes Highlight ist das Import-Tool, um beispielsweise vermischte Excel-Daten einzulesen und in die richtigen Datentypen abzulegen. Das war früher wesentlich aufwändiger, jetzt ist das dank neuer Oberfläche und mehr Programmintelligenz eine flotte Sache.

Smartes Signal-Routing sorgt für aufgeräumte Modelle

Release 2012b bringt den neuen Simulink- und Stateflow-Editor, der Navigation, Ansicht und Bearbeitung von Modellen erleichtert. Mit diesen Werkzeugen soll Simulink R2012b das Modellieren vereinfachen. Von den Anwendern ist bekannt, dass sie Simulink-Modelle oft ändern, nur damit sie besser aussehen. Oder sie wünschen sich, sie könnten Blöcke einfacher mit Signallinien verbinden. Der überarbeitete Simulink-Editor denkt mit. „Smart Signal Routing“ führt Signale so, dass sie nicht zu viel kreuzen und trotzdem keine extra Schlenker machen. Nicht wenige haben sich schon einmal in komplexen Programmen „verirrt“ oder über zu viele offene Fenster geärgert. Um immer direkt in der Struktur des Modells navigieren zu können, ist der neue Simulink Editor mit Tabbed Windows, also Reitern für Modellfenster, und dem „Explorer Bar“ ausgestattet.

Sich auf Entwurf und Analyse konzentrieren

Der Editor sorgt für eine einheitliche Infrastruktur bei gleichzeitiger Anwendung von Simulink und Stateflow und somit weniger Einarbeitungsaufwand. So bleibt der Fokus des Users auf dem System, und er kann sich auf seinen Entwurf bzw. die Analyse konzentrieren. Wer bislang nur Simulink, nicht aber Stateflow genutzt hat, weil er mit der Bedienung nicht zurechtkam, kann nun ruhig einen neuen Anlauf starten. Nicht nur wegen der verbesserten Oberfläche, sondern auch, weil die Action Language für Bedingungen und Transitionen jetzt die ganz normale Matlab-Sprache ist.

Simulink-Modelle lassen sich einfacher debuggen. Bedingte Unterbrechungspunkte, die „conditional breakpoints“, werden direkt auf Signale gelegt, ohne dass die dazugehörigen Daten aus den Augen verloren werden. Wer bisher Berührungsängste mit dem Simulink-Debugger hatte, sollte diesen im Release 2012b nutzen. Es gibt eine neue Funktion, um beim Modellieren in Simulink schnell zu variieren, ohne dass man sich gleich mit den Varianten beschäftigen muss. Blöcke und Subsysteme lassen sich auskommentieren, also von der Simulation ausnehmen, ohne dass das Modell strukturell verändert wird.

Mit dem Simulationsmodell zurück in der Zeit

Von Seiten der Anwender kam der Wunsch, eine Zeitmaschine für Simulink zu implementieren, damit man in der Simulationszeit rückwärtsgehen kann. Dieser Wunsch wurde erfüllt: Der User kann die Simulation anhalten – interaktiv, geskriptet oder eben mit Hilfe der neuen Unterbrechungspunkte – und dann in der Simulationszeit zurückgehen, um dort Parameter, Entscheidungen zu ändern oder auch einfach nur weitere detailliertere Nachforschungen anzustellen. Die Simulationszeit ist nicht länger streng monoton, sondern variabel.

Viele Anwender kennen die Problematik, wenn bei einem Modell hin und wieder der Regler anfängt auszureißen oder die Logik nicht passt. Bislang musste man rechtzeitig vorher wissen, dass es gleich schief gehen wird, dort unterbrechen, den Debugger starten und dann schrittweise fortfahren. Jetzt können Anwender die Simulation pausieren, sobald sie das unerwünschte Verhalten erkennen, und einige Schritte zurückgehen.

Die Simulation lässt sich an die aktuelle Simulation einfach ein Stück zurückspulen. Nutzer können die Funktion kombinieren, indem der komplette Simulationszustand abgespeichert wird. Häufig kam die Frage auf, wie sich ein Simulationslauf variieren lässt, kurz bevor die Simulation einen bestimmten Zustand eingenommen hat, ohne genau zu wissen, wann dies der Fall ist. Man setzt einen Unterbrechungspunkt auf ein Signal, an dem sich erkennen lässt, dass der gewünschte Zustand erreicht ist. Dann geht man einige Schritte in der Zeit zurück, bis der Punkt erreich ist, an dem die Ursache dafür auftritt.

Trial und Error waren gestern

Der gesamte Simulationszustand ist mit der „SimState“-Funktionalität problemlos speicherbar. Ab diesem Punkt können User nach Belieben variieren, und das auch über die Matlab-Kommandozeile steuern und lokal oder massiv parallelisieren.

Wir sprechen hier nicht von dem Mini-Modell, das ohnehin in wenigen Sekunden durchläuft, sondern von großen Systemmodellen, die vielleicht bis zum Verzweigungspunkt schon einige Stunden simulieren und von da ab nochmal einige Zeit brauchen. „Intelligentes“ Simulieren spart richtig Zeit. Die Ersparnis, die Ihnen die Möglichkeiten bietet, geht in Größenordnungen von Wochen an reiner Simulationszeit. Und wer schneller Antworten aus seiner Simulation hat, kann schneller Entscheidungen treffen und alternative Designs in Betracht ziehen.

Mit den Apps lassen sich vorhandene Funktionalitäten in Matlab und den Toolboxen leichter finden, weil alle Apps in der Apps Gallery zusammengefasst sind. Diese ersetzt das bisherige Startmenü. Eine App ist eine abgeschlossene Anwendung innerhalb von Matlab, typischerweise mit Benutzeroberfläche. Solche Apps lassen sich selbst schreiben bzw. bestehende Anwendungen und Oberflächen als App verpacken.

Der Autor: Dr. Joachim Schlosser ist Manager Application Engineering bei MathWorks in Ismaning, Deutschland.