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

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