Erfolgreicher Einsatz von PSpice

Erfolgreicher Einsatz von PSpice
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Transiente Simulation des PWM-Generators.
31.08.2011 | An der FHNW wird PSpice erfolgreich eingesetzt. Angewandt wird PSpice bei einer Projektarbeit eines Class D-Verstärkers. Dies ist eine neue Technologie, wie Audio-Verstärker mit wenig Verlustleistung und hoher Audioqualität verwirklicht werden. Dies ermöglicht eine kleine Bauweise mit hoher Ausgangsleistung. Die Schaltungen werden berechnet, am simuliert und anschliessend ausgemessen.

Die Teilschaltungen werden einzeln simuliert. Der ganze Verstärker wird für die Entwicklung in folgende Hauptgruppen aufgeteilt:
  • Speisung
  • Dreieckgenerator
  • Überstromdetektion
  • Softstart
  • Die beiden Audiokanäle.
Die einzelnen Hauptgruppen werden in Teilschaltungen unterteilt und jeweils einzeln simuliert. Für die Simulationen können die Modelle direkt aus der installierten Bauteil-Datenbank entnommen werden.
Alle verschiedenen Simulations- Analysearten von PSpice kommen zum Zuge. In PSpice lassen sich mit der Transienten Analyse elektrische Vorgänge zeitabhängig simulieren. Der Dreiecksgenerator wird mit dieser Simulation genauer analysiert.
Der Verstärkerausgang muss gegen Überstrom und Kurzschluss geschützt sein. Die Überstromdetektion übernimmt diese Aufgabe. Nach der Berechnung wird die Schaltung mit einer Simulation überprüft. Hierzu wird der DC-Sweep eingesetzt. Bei dieser Simulationsart werden mehrere Gleichstromanalysen durchgeführt, wobei bei jedem Durchgang eine Schaltungsgrösse verändert wird. Dies kann beispielsweise die Temperatur, eine Spannung oder wie in diesem Fall ein Strom sein. Wir lassen den Eingangsstrom von der Schaltung von 0 bis 25A ansteigen und können so die Funktionsweise der Schaltung überprüfen. Wie berechnet ist in der Simulation eindeutig ersichtlich, dass die Überstromdetektion bei einem Strom [I(I1)] von 23A anspricht, der Ausgang der Schaltung [V(OVERCURRENT)] wird zu Null.

Mit einer Sprungantwort am Eingang der Schaltung wird überprüft ob die Schaltung auch genügend schnell reagiert. Zum Zeitpunkt Null werden 25A am Eingang der Überstromdetektionsschaltung angelegt. In weniger als 9us wird der Überstrom detektiert. Dies Reaktionszeit genügt um die Leistungs-FET’s rechtzeitig auszuschalten.

Der Stereoverstärker hat zwei identische Audiokanäle. Das analoge Signal wird mit einem PWM – Modulator in ein digitales pulsweitenmoduliertes Schaltsignal umgewandelt. Die H-Brücke verstärkt das PWM- Signal und bildet das Kernstück des Verstärkers. Durch ein Filter wird das Ausgangssignal in ein analoges Signal zurückgewandelt. Das Signal wird über einen PI-Regler zurückgeführt. Der Regler wird mit einem AC-Sweep analysiert und die Resultate im Bodediagramm dargestellt.

Der PWM-Generator besteht aus einem analogen Inverter, welches das Audiosignal invertiert und zwei Komparatoren. Die beiden Komparatoren vergleichen das Dreiecksignal mit dem normalen und dem invertierten Audiosignal und erzeugen daraus ein Pulsweiten moduliertes Signal. Diese können gleich für die Ansteuerung der H-Brücke verwendet werden. Bei der nachfolgenden Simulation wird ein Sinussignal mit einer Amplitude von 2.5Vp, einem Offset von 4.5V und einer Frequenz von 30kHz angelegt um die Funktionsweise des PWM-Generators zu überprüfen.

PSpice Advanced Analysen

PSpice Advanced Analysen
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Blockschaltbild des Audiokanals.
Zusätzlich zu den Standard Analysen gibt es die Advanced Analysen (AA). Diese beinhaltet weitere Optionen um Schaltungen zu optimieren.

Mit der Sensitivity Analyse wird die Empfindlichkeit aller Bauteile in einer Schaltung analysiert. Die Qualität der einzelnen Bauteile kann so nach Ihrem Einfluss auf die Schaltung optimiert werden. Es können zum Beispiel Bauteile mit grösseren Toleranzen gewählt werden, wenn Ihr Einfluss auf die Funktionsweise der Schaltung nicht sensibel ist.

Der Optimizer dient der Schaltungsoptimierung. Es können Zielfunktionen als Werte oder Kurven der Schaltung vorgegeben werden. Verschiedene Algorithmen berechnen die zu optimierenden Bauteilwerte.

Die Smoke Analyse, oder auch Stress-Analyse genannte, überprüft die Bauteile einer Schaltung auf deren Belastung. Grafisch Balken geben Auskunft ob Bauteile überlastet sind und ob zum nächst grössren Bauteil gewechselt werden muss. Natürlich kann bei überdimensionierten Bauteilen auf kleinere ausgewichen werden um so Kosten und Platz zu sparen. Zusätzlich können auch Ermüdungsfaktoren (Deratings) eingesetzt werden um allfällige Alterungsprozesse mit zu berücksichtigen.

Die vierte zusätzliche Option ist die Monte Carlo Analyse. Bei der Monte Carlo Analyse werden für die Bauteile innerhalb der definierten Toleranzgrenzen bei jedem Simulationsdurchgang zufällige Bauteilwerte gewählt. Das heisst die Streuung der Fertigungstoleranzen jedes einzelnen Bauteils wird mitberücksichtigt. So lassen sich Aussagen über die Zuverlässigkeit der Schaltung machen und bereits in der Entwicklungsphase können Bauteile mit geeigneten Toleranzangaben gewählt werden. Das Ausgangsfilter des Klasse D Verstärkers wird im Zeitbereich sowie auch mit einer Monte-Carlo Analyse simuliert, damit die Signale möglichst originalgetreu übertragen werden. Die Simulation hat ergeben, dass bei Bauteiltoleranzen von 10% für Kondensatoren und 20% bei Spulen, das Filter noch weiterhin den Anforderungen entspricht, wie folgende Simulation zeigt.

Der Nutzen der Simulation

Der Nutzen der Simulation
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Pro Simulationsdurchgang der MonteCarlo Analyse werden zufällig unterschiedliche Bauteilwerte innerhalb des definierten Toleranzbereichs gewählt.
Durch die PSpice Simulationen erreicht man einen enormen Zeitgewinn bei der Entwicklung von Schaltungen, da man beispielsweise nicht auf Liefertermine von Bauteilen oder Musterboards angewiesen ist. Man kann früh eine Aussage über die Funktionsweise der Schaltung machen und durch systematische Simulationen verschiedene Möglichkeiten überprüfen. Es können sogar Aussagen über die Streuung in der Fertigung gemacht werden und damit die Zuverlässigkeit gezielt Optimiert werden.

Wie am aktuellen Beispiel des Klasse D-Verstärkers gezeigt, ist PSpice das optimale Simulationswerkzeug in der Elektronikentwicklung.

Weiterführende Informationen zu PSpice, Modellen, Fachliteratur oder auch die gratis Demo-Version finden Sie unter www.flowcad.ch.

Dipl. El. Ing. FH Marco Waller ist als Applikations Ingenieur bei der Firma FlowCAD für die technische Beratung von Kunden zuständig.

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