Power-Tipp

Stromversorgungen mit SIMPLIS simulieren

| Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

Bild 1: Simulation mit dem Tool ADIsimPE, das einen SIMPLIS-Simulator beinhaltet.
Bild 1: Simulation mit dem Tool ADIsimPE, das einen SIMPLIS-Simulator beinhaltet. (Bild: Analog Devices)

Im Stromversorgungsbereich bietet eine Simulation mit SIMPLIS viele Vorteile. Besonders hilfreich ist das schnelle Simulieren, wenn verschiedene Optimierungen ausprobiert werden sollen.

Das Simulieren von Stromversorgungen ist mittlerweile sehr beliebt. Denn dadurch lassen sich einfach Parameter ausprobieren ohne Hardware neu aufbauen und testen zu müssen.

Generell ist aber bei allen Simulation zu beachten, dass sie keine automatische Optimierung der Schaltung beinhalten. Für diese Zwecke eignen sich spezielle Optimierungswerkzeuge, wie beispielsweise ADIsimPower, besser. In diesen Werkzeugen wird eine Schaltung mit vielen Berechnungen optimiert und eine funktionierende Schaltung wird mitsamt einem Stückplan ausgegeben.

Dennoch kann es sinnvoll sein, eine Stromversorgung zu simulieren. Hierbei kann besonders die Wirkung von zusätzlichen Filterstufen untersucht werden. Ebenfalls kann man überprüfen, was passieren würde, wenn sich Bauteilewerte verändern. Beispielsweise wenn der Ausgangskondensator mit der Zeit einen höheren ESR (Equivalent Series Resistor – äquivalenter Serienwiderstand) oder eine reduzierte Kapazität aufweist.

Zur Simulation wird häufig ein SPICE-Derivat eingesetzt. Dies ist möglich, hat jedoch entscheidende Nachteile. Ein Standard-
SPICE-Simulator löst eine Matrix von nicht linearen Differenzialgleichungen, um nacheinander das Verhalten einer Schaltung nachzubilden.

Schaltregler haben prinzipiell sehr schnelle Schaltübergänge, welche von SPICE im Detail berechnet werden müssen. Diese Schaltübergänge können Probleme beim Konvergieren der Schaltung, bei der Zuverlässigkeit und auch eine sehr lange Simulationszeit verursachen, ohne relevante Informationen zu erzeugen.

Simulation bei schnellen Schaltübergängen

Wegen dieser Nachteile wurde SIMPLIS entwickelt. Es steht für „SIMulation Piecewise LInear System“. Das Tool analysiert eine Schaltung als eine Reihe von stückweise linearen Zuständen – die Topologien, welche sich durch das Schalten verändern. Die Details der Schaltübergänge müssen nicht unbedingt untersucht werden.

Die Analyse wird mit linearen Berechnungen gemacht, welche sehr viel genauer, viel robuster in Bezug auf die Konvergenz und auch sehr viel schneller sind als eine nichtlineare SPICE-Simulation. Simulationen einer Stromversorgung können 15 bis 50 Mal schneller als mit SPICE laufen. Dies entspricht beispielsweise einer Simulationsdauer von 15 s im Vergleich zu 5 min.

Bild 1 zeigt eine Simulation mit ADIsimPE. Das Tool kann kostenfrei auf der Webseite von Analog Devices heruntergeladen werden. Es beinhaltet den SIMPLIS-Simulator und eignet sich dadurch gut zur Simulation von getakteten Stromversorgungen.

Ein großer Vorteil von SIMPLIS im Gegensatz zu SPICE ist die Fähigkeit, eine echte AC-Analyse des Schaltreglers zu machen. SIMPLIS findet den eingeschwungenen Zustand einer Schaltung welcher POP (Periodic Operating Point) genannt wird. Dann werden Signale leicht verändert, beispielsweise die Eingangsspannung, um Abweichungen vom POP zu berechnen. Diese Analyse wird über die gesamte Schaltung ohne Mittelwertbildung oder anderen Näherungsberechnungen gemacht.

Eine solche Vorgehensweise ist sehr robust und bietet gültige Resultate in einem großen Frequenzbereich, selbst oberhalb der jeweiligen Schaltfrequenz.

Natürlich sind Simulationen nur so gut, wie die passenden verfügbaren Modelle. Mittlerweile gibt es viele SIMPLIS-Modelle von Schaltregler-ICs. Bild 2 zeigt das Model des ADP2442. Besonders hervorzuheben ist die Möglichkeit, einzelne interne Signale auf dem IC mit einem Spannungstastkopf sichtbar zu machen. Beispielsweise kann mit einem Tastkopf an ‚ILim‘ überprüft werden, ob die Strombegrenzung aktiviert wird oder nicht.

Im Stromversorgungsbereich bietet eine Simulation mit SIMPLIS viele Vorteile. Besonders hilfreich ist das schnelle Simulieren, wenn verschiedene Optimierungen ausprobiert werden sollen. Darüber hinaus kann die Möglichkeit der schnellen Simulation für einen unerfahrenen Entwickler von Stromversorgungen hilfreich sein, Zusammenhänge von unterschiedlichen Parametern und diskreten Bauteilen zu erlernen.

* Frederik Dostal arbeitet im Technischen Management für Power Management in Industrieanwendungen bei Analog Devices in München.

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