1.6 仿真及总结

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第六部分,仿真和结论 我们可以从 TI 获得 LMG5200 基于物理表现的 SPICE 模型 来分析 48V 转 1V 的变换器 线路模型的保真度让我们会非常地震惊 它真实地建模了 死区时间内工作在第三象限的开关表现 寄生振荡以及 Rdson 的温度效应 有一个关键点需要提出的是 宽禁带应用里面 寄生参数存在于 电源层间 PCB 板的引线、元器件 甚至测量的探头中 我们通常对器件的寄生参数 会有很好的了解 并且可以有必要时进行测量获得 但是物理的 PCB 板和引线的寄生参数 是很难获得的 我们下面会显示如何使用 电子仿真软件来帮助我们 提取寄生的参数 这个 SPICE 模型仿真 可以很好地稳定收敛 并在三分钟时间内完成仿真 我们把测试的红色波形导入到 Tina TI 中 并和蓝色的仿真结果 保持一定的时移来比较两者的相关性 我们已经显示了 WBG 的器件 比硅器件开关速度更快 使得更高的寄生参数 会引入到我们的电场和磁场里 为了避免频繁地往返于 EMC 认证实验室 线路板的寄生参数 电容选取、元器件的摆放位置 以及平面谐振 应当需要很好的规划测量和分析 之前我们提到横向电子波箱 场强探头、LISN 电流探头、频谱分析仪 在测试 GaN 和碳化硅器件 高速开关的应用里面 应用非常地重要 在横向电磁波测量中 我们可以看到 红色的线条代表了 48V 转 1V 变换器关断的时候 它的底噪 打开以后我们可以看到 在 250M 处看到很明显的板上震荡 问题是这是由什么导致的 我们该如何解决这个问题 虽然我们评估板的布线已经非常不错了 我们仍然可以在仿真中发现 有关于功率地和信号传输地上面的 单点连接的问题 由于电压的摆率会在 40 到 50V/ns 电流摆率会超过 100A/μs 先前我们没有看到的寄生电容和 PCB 互感 成了 EMI 的主要的来源 3D 电子场推解器可以帮助我们 有效的进行评估和量化 传导和辐射的影响 我们下面会展示这个工具 如何帮助我们隔离 PCB 板的问题区域 并且评估器件的效果 比如说功率线路里旁路电容的影响 我们把 LMG5200 PCB 的文档 导入到 CST Studio Suite 联合仿真设计环境里 右图里面 我们为器件和激励信号设置了端口 左图中 PCB 物理器件 包括绝缘和导电的部件 都由全波 3D 电子场求解器 进行仿真和建模 这个分析会计算 所有和 PCB 相关的传导和辐射的耦合 完成以后我们可以将 所测的或者是仿真的波形 用来激励 3D 模型 3D 电子模型和电路模型组合在一起 可以根据摆放的位置 非常精确地反映 电路板寄生效应和组件的影响 通过对 PCB 物理特性进行建模后 我们可以分析到 针对激励信号的表面电流的分布 我们最关注的信号是开关节点的电流流向 这里的分析显示了 PCB 中表面电流表现为 开关节点的复杂谐波成分的函数 在直流或者 1kHz 下面 电流会随着内阻最小的路径进行扩展开 但是随着频率的增加 电流会仅限于原电流的区域 因此我们需要尽量避免 在地平面中开槽或者是有所隔断 因为它们最终会使得电流的环路会更宽 从而导致辐射的版图会变得增加 我们来注意一下 250M 下 电源和信号之间的电流分布 这个图里我们可以明显看到 这些过孔是怎么使得 整个地平面的铺铜效果变弱 并且导致它的电流集中的分布 也就是高频下面的瓶颈效应 这个不仅影响到效率 也会在 EMI 方面产生影响 把 3D 的电子模型和电路模型相结合以后 我们可以通过其电路特性和线路板的布置 来检查输入的去耦电容的效果 很明显较大的输入电容 比如这里所示的 C 时 主要用于解决较低频率的纹波 尽量靠近 LMG5200 附近位置的电容 比如说 C8 它支持更宽的范围以及更高的频率 而我们 PC 端底部 有一颗 C14 电容为 1μF 虽然它也很靠近 LMG5200 但是它是通过过孔连接 所以仿真效果显示它的滤波效果 和我们输入连接器端的 10μF 的电容是类似的 最后总结一下 宽禁带半导体器件对于硅来说 它的优势非常明显 并且对于我们的应用 非常有实在的意义 对于设计工程师来说 我们需要了解微妙的器件差异 以充分利用这种新技术 宽禁带功率器件目前 在电压比较高、频率较高的应用中 其价值体现更为明显 随着器件工艺以及制造和创新的发展 我们会预计到这些器件 在所有的电源应用里面 会与硅器件相竞争并且共存 理解器件的特性 会帮助我们了解什么时候会采用这种技术 为了充分理解和利用 WBG 的技术优势 测试和仿真技术会显得尤为重要 谢谢大家
课程介绍 共计6课时,42分48秒

碳化硅和氮化镓器件在高频电源中的应用

新兴的宽禁带(WBG)碳化硅氮化镓功率器件越来越广泛地应用在电力电子产品中来提升效率和功率密度. 培训内容介绍了WBG功率器件特性, 及应用. 并且详细的分析了开关性能,损耗计算以及测试,仿真技巧.
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