МОДЕЛЮВАННЯ У ТЕПЛОВИХ РОЗРАХУНКАХ
Мінімізація втрат в обмотках високочастотних дроселів
Розробникам пропонуються нові способи зниження високочастотних втрат в обмотках силових дроселів, засновані на розрахунках за допомогою вільно розповсюджуваної (freeware) програми, що оптимізує конструкцію обмоток з літцендрату, і на технології формування обмоток з фольги (foil-winding technology), що добре працює в струмів та високої потужності.
Технологія SoC потребує верифікації
У міру зростання складності "систем на кристалі" (SoC, system-on chip) все більш проблемною стає їхня верифікація. Розробники витрачають великі зусилля на пошук та впровадження нових методів оцінки таких систем. У статті розглядаються можливі шляхи вирішення цієї проблеми
EDA та ESL в автомобільній електроніці
У статті розглядається моделювання теплових режимів роботи виробів, основним джерелом тепла яких є напівпровідникові прилади. Наведено розрахункові співвідношення та малюнки, які їх пояснюють.
Останнім часом розробники прагнуть збільшити функціональні можливості виробу та одночасно зменшити його масогабаритні показники. До складу більшості виробів входять напівпровідникові прилади (діоди, MOSFET- та IGBT-транзистори), що розсіюють часом значну потужність. Через зменшення габаритів виробу проектувальник все частіше віддає перевагу твердотільнім реле електромеханічним. Однак, незважаючи на ряд переваг, падіння напруги на «контактах» твердотільних реле, як правило, більше, ніж на електромеханічних контактах. Відповідно збільшується і розсіювана потужність. Зі сказаного слід, що правильний вибір теплового режиму роботи стає не менш важливим, ніж, наприклад, розробкасхеми топології. При розрахунку теплового режиму необхідно враховувати безліч параметрів, серед яких тип напівпровідникових приладів та їх корпусу, матеріал друкованої плати, розташування елементів, можливі варіанти тепловідводів і т.д. Для додатків із високою щільністю енергії можливе використання примусового охолодження – рідинного чи повітряного. При цьому необхідно враховувати обмеження щодо собівартості виробу.
Моделювання теплових режимів
Розрахунки теплових режимів складні та їх проводять за допомогою програмного моделювання. Симулятори використовують математичні моделі компонентів у поєднанні зі схемотехнічним аналізом, щоб максимально точно відтворити робочі режими кожного вузла. Для силових приладів може бути обчислена потужність з урахуванням збудження затвора, перехідних процесів при перемиканнях і зворотного відновлення діода. Традиційні схемотехнічні симулятори здатні обчислювати робочі режими малопотужних схем на основі стаціонарної теплової моделі; такий підхід не годиться для силових схем, у яких відбувається саморозігрів. У цьому випадку необхідно враховувати температурну залежність режимів роботи пристрою. Розробник повинен додавати в схему, що моделюється, елементи, що описують такі режими — так звану «теплову обв'язку» (thermal wrapper). Тільки після цього можна оцінити температуру і визначити поведінку різних варіантів схеми. Ефекти від нагрівання потужних напівпровідникових MOSFET-і IGBT-транзисторів можуть бути змодельовані як функції ряду параметрів, головним чином - прикладеної напруги, струму навантаження, частоти перемикання та схеми керування затвором . При температурі, що встановилася, ці джерела тепла знаходяться в стані рівноваги з тепловіддачею в системі: корпус напівпровідниковогоприладу — корпус виробу. У нестаціонарних ланцюгах, таких, як імпульсні джерела живлення, оцінка потужності розсіювання напівпровідникового приладу в першому наближенні дається як добуток трьох змінних: середня напруга у відкритому стані V, відповідний середній струм у відкритому стані I та коефіцієнт заповнення D імпульсної послідовності:
При аналізі електричної схеми моделюється струм як функція режиму роботи ланцюга. Напруга розглядається як функція струму, типу напівпровідникового приладу, температури переходу та методу керування приладом. Наприклад, напруга на відкритому MOSFET-транзисторі дається як добуток струму стоку (ID) і опору сток-витік у відкритому стані (RDS(on)). Саме RDS(on) розглядається як функція сигналу управління затвором (ID) і температури. У першому наближенні перегрів напівпровідникового приладу може бути визначений перемноженням потужності розсіювання і теплового опору. Однак це занадто грубе спрощення, оскільки воно не враховує перехідних процесів. У силових схемах часто виникають кидки струму, особливо при комутації навантаження з домінуючою ємнісною складовою. У такому разі струм перехідного процесу легко може досягати величини, в десять разів більшої, ніж показав би аналіз стану, що встановився. компонента на імпульси з певною тривалістю, амплітудою та коефіцієнтом заповнення імпульсної послідовності. Ця інформація може бути використана спільно з даними про розсіювану потужність для визначення перегріву переходу напівпровідникового приладу щодойого корпуси.
Мал. 1. Termal-stack-модель
Однак і такий підхід має обмеження – не враховується спосіб монтажу компонента на платі. Це ілюструється повною thermal-stack-моделлю, показаної малюнку 1. Подальші уточнення залежить від техніки моделювання, яка може бути використана для обчислення повного теплового відгуку. Традиційні схемотехнічні симулятори виконують обчислення енергетичних показників на основі стаціонарної теплової моделі, тому необхідно додавати квазідинамічну теплову обв'язку до стаціонарної моделі приладу (25°C) (див. рис. 2). Це можна зробити у різний спосіб. Складні моделі можуть бути реалізовані за допомогою мов опису високого рівня (HDL). Наприклад, користувачі Ansoft Simplorer можуть написати обв'язку в VHDL-AMS; симулятор Cadence's Spector може бути доповнений Verilog; разом із Synopsys's Saber можна використовувати MAST.
Мал. 2. Квазидинамічна теплова обв'язка до стаціонарної (25°C) моделі
Однак найпоширеніший і єдиний доступний у більшості симуляторів, включаючи Spice, прийом, що є стандартом de-facto серед аналогових симуляторів в електронній інженерії, — реалізація теплової обв'язки в макромоделях. Хоча такий підхід має більше обмежень, ніж при використанні HDL, макроси набагато простіше в реалізації і, залежно від симулятора, можуть бути досить потужними. Як приклад розглянемо завдання створення теплової обв'язки для MOSFET-транзистора. При цьому необхідно враховувати два температурно-залежні параметри: граничну напругу, VTH і опір повністю відкритого каналу, RDS(on). Обидва параметри порівняно просто пов'язані з температурою. VTH зростає приблизно лінійно, з коефіцієнтом -7 мВ/°C. Зміна RDS(on)із прийнятною точністю може бути описано квадратичною залежністю. Взаємозв'язок параметрів легко виразити (і реалізувати) математично:
RDS (on) (Tj) = RDS (on) (25 ° C) · [aTj2 + bTj + c],
VTH(Tj) = -0,007 (Tj - 25).
Хоча самі вирази прості, визначення робочої температури, від якої залежить функції, — складне завдання. Теплова система зазвичай моделюється багатоланковим ланцюгом, що складається з резисторів і конденсаторів з перехідною характеристикою, що нагадує стандартну діаграму одиночного імпульсу, яку вказують у документації на компонент як тепловий відгук. Документація на нові MOSFET-транзистори містить схеми таких багатоланкових ланцюгів; користувачі старіших компонентів можуть виявити, що їх забезпечили лише діаграмою. У багатоланковій моделі потужність - це аналог струму, а температура - аналог напруги. Перше завдання, що виникає при реалізації моделі теплової обв'язки - встановлення кількісного зв'язку між опором каналу і температурою, RDS (on) (Tj). Вона може бути вирішена використанням простої процедури квадратичної апроксимації, яка за трьома точками характеристики, що зазвичай наводиться в документації на MOSFET-транзистор, визначає два квадратичні коефіцієнти a і b і константу c, необхідні для моделі. Останній елемент, необхідний обчислення RDS(on)(Tj), — це величина RDS(on)(25°C). Вона обчислюється симулятором за Spice-моделлю або іншою моделлю приладу. Вплив саморозігріву на RDS(on) знаходиться шляхом обчислення похідної від опору каналу за температурою:
dRDS (on) (Tj) = RDS (on) (25 ° C) · [2aTj + b] dTj.
У моделі ця величина представлена резистором dRDS(on), послідовно включеним зі стоком MOSFET-транзистора. Отримавши ці рівності, температуру переходу (Tj) можна обчислити змиттєвої потужності MOSFET транзистора. Нехтуючи втратами на перемикання, вважаємо, що потужність, що розсіюється, визначається струмом стоку і напругою сток-виток.
Мал. 3. Багатоланковий тепловий ланцюг
У тепловій багатоланковій ланцюга (див. рис. 3) потужність представлена джерелом. Важливо відзначити, що модель повинна працювати з абсолютними величинами струму та напруги, оскільки потужність розсіювання завжди збільшує Tj, незалежно від напрямку струму або полярності напруги. Вихідний параметр цієї моделі – напруга, яка відповідає Tj. І нарешті, відхід порогової напруги від номінального значення при температурі 25°C дорівнює:
dVTH(Tj) = -0,007 (Tj - 25).
З точки зору схемної моделі цей відхід представляє плаваюче джерело напруги, послідовно включений з виведенням затвора MOSFET-транзистора. Отримавши ці співвідношення, можна побудувати макромодель, що включає вираз для dRDS(on) (Tj), абсолютну величину миттєвої потужності та dVTH(Tj). Вона також повинна містити висловлювання для розрахунку режиму роботи MOSFET-транзистора під час симуляції. Зазвичай вони визначають, що MOSFET-транзистор вважається повністю відкритим тільки якщо VDS менше, ніж, скажімо, 100 мВ, що веде до необхідності додавання симулятором температурно-залежного dRDS(on) (див. рис. 4).
Мал. 4. Залежність RDS(on) від температури
Наступний ступінь точності в побудові моделі - облік факту, що температура корпусу майже завжди вища за температуру навколишнього середовища. Це порівняно просто можна зробити розширенням моделі теплової обв'язки. Взагалі великою перевагою використання таких квазідинамічних моделей є те, що вони дозволяють проводити аналіз можливих варіантів різних топологій схеми. Це схоже на віртуальнемакетування. Більш того, будучи створеною, модель може бути оформлена як бібліотечна функція та використовуватися автоматично у подальших розробках.
Автор: Девід Дівінс (David Divins), технічний спеціаліст, International Rectifier