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Schaltnetzteile besser entwickeln

Digitaler SMPS-Zwilling zeigt »Was wäre, wenn«

19. Oktober 2020, 12:46 Uhr   |  Ute Häußler

Digitaler SMPS-Zwilling zeigt »Was wäre, wenn«
© Keysight

Mit dem virtuellen Prototypen können SMPS-Designs auf Herz und Nieren geprüft werden.

Ein neuer Workspace von Keysight und Rohm soll Entwicklern die schnelle Anpassung von Schaltnetzteil-Referenzdesigns (SMPS) für SiC-Leistungsbauelemente erlauben. Pre-Compliance-Tests an virtuellen Prototypen sparen Zeit und Kosten, indem Fehler frühzeitig im Design erkannt werden können.

Keysight Technologies hat gemeinsam mit ROHM Semiconductors einen digitalen Zwilling des Rohm-Referenzdesigns P01SCT2080KE-EVK-001 entwickelt, der mit dem PathWave Advanced Design System (ADS) kompatibel ist.

Virtuelle Prototypen verhindern Design-Fehler

Die Nachfrage nach Schaltnetzteilen wird durch den Bedarf an höherer Effizienz, höherer Leistungsdichte und geringeren Kosten getrieben. Schnelle, verlustarme Schalter aus Siliziumkarbid (SiC) und verwandten Materialien werden aufgrund der hohen Leistung und Effizienz, die sie ermöglichen, zukünftige Anwendungen antreiben. Zu den unerwünschten Nebenwirkungen von Hochgeschwindigkeitsschaltern gehören jedoch Spannungsspitzen, das sogenannte Ringing. Darüber hinaus ist es in Designs mit höheren Geschwindigkeiten schwieriger, die Spezifikationen für leitungsgeführte und abgestrahlte elektromagnetische Interferenzen (EMI) einzuhalten. Die Pre-Compliance-Analyse eines virtuellen Prototyps oder digitalen Zwillings ist ideal für die Bewältigung dieser Herausforderung, erforderte jedoch zuvor Fachwissen für den Aufbau und die Nutzung der notwendigen Design-Informationen, die als »Workspace« bezeichnet werden.

Vorteile gegenüber physischen Prototypen

Virtuelle Prototypen sind komplementär zu physischen Prototypen. Physische Prototypen sind der Goldstandard für die Konformität und die gemessenen Eigenschaften, haben aber mehrere Nachteile, darunter: teuer und zeitaufwendig in Design, Bau und Messung; anfällig für katastrophales Versagen (der berüchtigte „Rauch-Test“, bei dem tatsächlich Rauch erzeugt wird); und es ist schwierig, einen Messtastkopf auf innenliegende Knoten zu platzieren.

Im Gegensatz dazu sind virtuelle Prototypen leicht zu verändern, und obwohl sie während der Simulation eine Überbeanspruchung des Bauteils als Warnmeldung anzeigen, geben sie niemals echten Rauch ab. Die Spannung, der Strom und die Felder an jedem räumlichen Punkt im 3D-Gitter und in jedem Zeitschritt der Simulation können aufgezeichnet und für die grafische Darstellung zugänglich gemacht werden, selbst an Punkten, die in der realen Welt physisch nicht zugänglich sind, wie z.B. innerhalb des Gehäuses eines Halbleiters.

Eliminierung üblicher Testing-Probleme

Power-Entwickler haben häufig Probleme mit Layout-Effekten, wenn die Stromanstiegsrate in der geschalteten Schleife 1A/ns übersteigt. Selbst winzige parasitäre Induktivitäten verursachen Ringing. Die EMI-Unterdrückung kann ebenfalls eine große Herausforderung sein. Rohm sagt, dass der digitale Zwilling Entwicklern die Einblicke geben kann, die sie brauchen, um Änderungen unkompliziert und ohne Nebenwirkungen vorzunehmen.

Gerade für Leistungsbauelemente mit großer Bandlücke erwarten die beiden Partner durch den Einsatz des Workspace eine große Zeitersparnis für das Testing, gerade weil die physischen Layouts mit Tücken daherkommen, hohe di/dt-Werte Probleme verursachen und die EM-Extraktion ein entscheidender Faktor sei.

Das virtuelle Referenzdesign ist über die Website von Keysight abrufbar.

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