Jak uzyskać najlepsze wyniki symulacji EMC wykorzystując program LTSpice?

Pomiary w warunkach laboratoryjnych przy użyciu płytki demonstracyjnej DC2822A LT8618 oraz korelacja z wynikami symulacji

Niniejszy artykuł zawiera wskazówki dotyczące używania LTspice do przeprowadzania symulacji emisji elektromagnetycznych. Opisane metody mogą być stosowane dla dowolnego konwertera buck. Zwróćmy teraz uwagę na symulację i jej dokładność w kontekście wyników uzyskanych w laboratorium EMC przy użyciu płytki demonstracyjnej DC2822A LT8618 pokazanej na rysunku 14. Płytka zawiera kilka kondensatorów wejściowych i wyjściowych, które nie były uwzględnione w poprzednich modelach symulacyjnych (na przykład z rys. 7 i rys. 12). Model LTspice pokazany na rysunku 15 już zawiera te kondensatory wraz z wartościami ESL i ESR uzyskanymi za pomocą Würth REDEXPERT.

Rysunek 14. Płytka demonstracyjna DC2822A LT8618

Rysunek 15. Model LTspice odpowiadający konfiguracji VIN płyty demonstracyjnej DC2822A

Płytka demonstracyjna DC2822A zawiera dwa wejścia zasilania, VIN i VEMI. Szyna VIN omija filtr na koraliku ferrytowym, natomiast VEMI jest podpięta do koralika. Model LTspice z rys. 15 odpowiada konfiguracji VIN. Rysunek 16 pokazuje wykres w FFT w symulatorze LTspice. Widać , że emisje w trybie wspólnym w niewielkim stopniu przekraczają linię graniczną przy 2 MHz.

Rysunek 16. Wykres FFT LTspice odpowiadający konfiguracji VIN DC2822A.

Aby skrócić czas i zoptymalizować dokładność symulacji LTspice, na rysunku 15 wprowadzono następujące zmiany w porównaniu z poprzednimi modelami:

  • Nie ma potrzeby uwzględniania pojemności 100 pF pomiędzy obudową a płytką drukowaną. Modelujemy wyłącznie płytkę demonstracyjną DC2822A.
  • Zakładamy od początku, że dzięki dobremu projektowi płytki, szum przełączania jest znikomy. Wcześniej szacowaliśmy dla szumu przełączania 5 pF.
  • Ignorujemy bardzo małą indukcyjność przewodów między listwą LISN a płytką demonstracyjną.
  • Dodajemy rezystory 1 kΩ równolegle z cewkami indukcyjnymi LISN 50 μH, w celu skrócenia czasu symulacji (skrócony zostaje czas ustalania układu LISN).

Wyniki pomiarów laboratoryjnych

Rysunek 17 przedstawia porównanie symulacji LTspice i rzeczywistych pomiarów płytki DC2822A w laboratorium EMC. Okazuje się, że model LTspice z wysoką dokładnością przewiduje główne szczyty rzeczywistych emisji.

Rysunek 17. Porównanie wyników z LTspice oraz rzeczywistej emisji EMC na płytce w laboratorium

Dzięki koralikowi ferrytowemu (czyli filtrowi EMI) na szynie VEMI płytka demonstracyjna w tej konfiguracji z łatwością mieści się w granicach emisji do 60 dBμV. W rzeczywistości, przy niższych częstotliwościach emisja wynosi jedynie między 30 a 35 dBμV.

Odporność na zakłócenia elektromagnetyczne

Czujniki przewodowe mają rygorystyczne wymagania dotyczące odporności na zakłócenia. W przypadku takich branż jak kolejnictwo, automatyka i przemysł ciężki (na przykład w przetwórstwie celulozy i papieru), czujniki drgań muszą emitować szum poniżej 1 mV, aby uniknąć przekłamań podczas pomiaru. Oznacza to, że zasilacz może emitować bardzo niewiele szumów (niskie tętnienia wyjściowe) do obwodu pomiarowego. Konstrukcja zasilacza musi być również odporna na zakłócenia sprzężone z kablem zasilającym (wysokie PSRR).

Jak pokazano wcześniej, LT8618 może mieć tętnienie wyjściowe rzędu dziesiątek miliwoltów z powodu nieidealnego obciążenia pojemnościowego i pracy w trybie burst. W przypadku zastosowań z wrażliwymi czujnikami MEMS, wymaga więc zastosowania na wyjściu stabilizatora LDO o bardzo niskim poziomie szumów i wysokim PSRR, takiego jak LT3042.

Elastyczny układ symulacyjny umożliwiający analizę odporności na zakłócenia (PSRR)

Obwód LTspice pokazany na rysunku 18 można wykorzystać do wyznaczenia PSRR układu LT3042. Model analizy w dziedzinie czasu przedstawiony na rysunku 18 jest alternatywą dla metody przemiatania AC. Jest też bardziej elastyczny. Symulacja ma za zadanie zmierzyć zmianę na wyjściu układu wraz ze zmianą częstotliwości pobudzenia, a następnie rozwiązać równanie: PSRRLT3042 = (zmiana VIN)/(zmiana VOUT).

Rysunek 18. Symulacja PSRR układu LT3042 w zakresie od 10 kHz do 80 MHz

Rysunek 18 zawiera kilka ciekawych poleceń. Kombinacja instrukcji .meas i .step umożliwia użytkownikowi dodanie źródła szumu na wejściu LDO i pomiar PSRR w przy skokowych zmianach napięcia wejściowego w funkcji częstotliwości.

Instrukcja .meas

Pozwala użytkownikowi zmierzyć wartość szczytową sygnału w określonym przedziale czasu i zapisać ją w logu SPICE. Na rysunku 18 mierzymy tętnienia wejściowe oraz wyjściowe, a także obliczamy PSRR. Wszystko to jest zapisywane do loga SPICE.

Instrukcja .step

Polecenie .step jest przydatne do wykonywania kilku tur symulacji ze zmieniającą się wartością zmiennej.

Instrukcja .step zaprezentowana na rysunku 18 pozwala na wykonanie symulacji dla sygnałów sinusoidalnych ze źródła napięcia V2 w zakresie częstotliwości od 50 Hz do 10 MHz.

Aby przyspieszyć czas równoważenia się układu (i symulacji), początkowe napięcie kondensatora C2 można ustawić na 3,3 V. W tym celu trzeba edytować właściwości kondensatora, ale można to zrobić jeszcze szybciej, wyłączając opcję „Start External DC Supply Voltage at 0 V” w LTspice.

Korzystanie z logu programu SPICE

Po zakończeniu symulacji kliknij prawym przyciskiem myszy jedno z okien, wybierz widok i wybierz SPICE Error Log (lub użyj skrótu Ctrl+L). Log zawiera punkty danych zmierzone za pomocą instrukcji .meas.

Aby wykreślić wykres danych, kliknij log prawym przyciskiem myszy i wybierz Plot .step’ed .meas data. W okienku kliknij prawym przyciskiem myszy pusty ekran, wybierz Add Trace (lub użyj Ctrl+A) i wykreśl linię PSRR. Kliknij prawym przyciskiem myszy oś X i oznacz opcję Logarythmic. Spowoduje to wyświetlenie PSRR w funkcji częstotliwości, jak to pokazano na rysunku 19.

Niektóre szczegóły z oryginalnej krzywej w dokumentacji technicznej układu LT3042 nie są widoczne (około 2 MHz), ale ogólny kształt i wartości są zbliżone.

Rysunek 19. Wykres symulacji PSRR układu LT3042

Rysunek 20 przedstawia tętnienie napięcia wyjściowego w funkcji częstotliwości. Wynosi ono poniżej 200 μV w zakresie od 50 Hz do 10 MHz. W tym samym zakresie częstotliwości tętnienie napięcia wejściowego wynosi 1 Vp-p. LT3042 zapewnia więc doskonałe PSRR oraz niskie szumy, co jest dużą zaletą w przypadku wrażliwych rozwiązań MEMS.

Rysunek 20. Wykreślanie tętnienia symulowanego napięcia wyjściowego LT3042 w funkcji częstotliwości

Symulacje wykorzystujące instrukcję .meas i log programu SPICE można wykorzystać do symulacji wielu innych parametrów, w tym:

  • PSRR przetwornicy impulsowej,
  • PSRR w funkcji napięcia dropout oraz częstotliwości,
  • Wartość PSRR kontra połączenia omijające niektóre elementy (bypass),
  • Wartość skuteczna tętnienia wyjściowego w funkcji napięcia wejściowego DC,
  • Sprawność energetyczna a wartości komponentów,

Podsumowanie

W tym artykule przedstawiono symulacje LTspice i metody analizy szumów różnicowych i szumów w trybie wspólnym w projekcie konwertera buck. Ukazano sposób wykreślania linii granicznych emisji i przewidywania możliwych trudności w prawdziwym laboratorium EMC. Podejście symulacyjne zweryfikowano na podstawie pomiarów laboratoryjnych, ukazując ścisłą korelację z działaniem płytki demonstracyjnej LT8618 DC2822A.

Zastosowanie stabilizatora LDO LT3042 na wyjściu konwertera buck LT8618 zapewnia rozwiązanie o wyjątkowo niskim poziomie szumów i wysokim PSRR dla zastosowań z czujnikami MEMS. Elastyczny układ symulacyjny wykazuje dość dobrą zgodność z dokumentacją układu LT3042. Układ ten daje w czasie symulacji tętnienia wyjściowe poniżej 200 μV w zakresie od 50 Hz do 10 MHz, nawet w przypadku dużego szumu napięcia wejściowego (1 V p-p).

Podziękowania

Autorzy pragną podziękować Analog Devices Power Products Group oraz Würth Elektronik za wkład w powstanie tego artykułu.

Bibliografia

  1. Ling Jiang, Frank Wang, Keith Szolusha, and Kurk Mathews. “A Practical Method for Separating Common-Mode and Differential-Mode Emissions in Conducted Emissions Testing.” Analog Dialogue, Vol. 55, No. 1, January 2021.
  2. Gabino Alonso. “LTspice: Using .MEAS and .STEP Commands to Calculate Efficiency.” Analog Devices, Inc.

O autorze