Zapájíme, uvidíme. Co když ale hardware počká?

Experimenty mohou být nejen zábavné, ale také užitečné. Vždyť i technici by se měli umět správně zeptat „co se stane, když...“ a se zjištěním pak dále vhodně nakládat. Klíčové však není pouze to, na CO se ptáte, ale také KDY si vhodné otázky začnete vůbec pokládat.

Simulujte a optimalizujte

V průběhu návrhového cyklu se vývojáři běžně setkávají s prototypy. Není ovšem prototyp jako prototyp. Třeba ten virtuální může své fyzické protějšky velmi dobře doplňovat. Pravda, když přijde na testování shody a měření charakteristik, budou fyzické desky plošných spojů osazené hmatatelnými součástkami jakýmsi zlatým standardem. Mívají však i své stinné stránky.

Abychom vše navrhli, postavili a nakonec i odměřili, budeme k tomu potřebovat nějaký čas a také prostředky. Fyzické prototypy jsou navíc náchylné na nejrůznější katastrofická selhání, nechvalně známý je třeba „test kouřem“. Ale nejen to, s měřicí sondou se také všude nedostanete, takže si nemůžete učinit reálnou představu, jak na tom jsou jednotlivé vnitřní uzly. Virtuální prototypy si naproti tomu dokážete jednoduše přizpůsobit, a když např. signalizují přetížení součástky, nezahalí se nikdy do štiplavého kouře. Informace o napětí, proudech či elektromagnetických polích lze v každém bodě simulace zaznamenat a nechat vykreslit – dokonce i v případě, kdy takové místo není v reálném světě vůbec přístupné, třeba uvnitř pouzdra polovodičové součástky [1].

Jde to i nanečisto

Virtuální prototypy mívají oproti sledu událostí ve stylu „zapájíme to a uvidíme“ v lecčems navrch. To se již ale znovu vracíme k analýze typu „co se stane, když...“ nastíněné v úvodu článku. Uveďme si příklad [1]. Máte k dispozici hotový referenční návrh spínaného zdroje napájení, tak jak jej výrobce nachystal, a docela i odpovídá vašim požadavkům. O naprosto přesné shodě však stále nelze hovořit. Pokud se nyní rozhodnete vzorové řešení nějak přizpůsobit, a na tom není nic špatného, podstupujete určité riziko spojené s nežádoucími vedlejšími efekty – třeba nadměrnými špičkami napětí nebo potížemi z pohledu elektromagnetických interferencí. Díky virtuálnímu prototypu se také dopracujete k hlubšímu pochopení dané situace, minimalizujete tím ale skryté dopady na celý návrh.

Zkuste třeba „softwarově“ nahradit některé ze součástek levnějšími prvky, které nemusí ani dosahovat původních vlastností – kvalit, řekněme kondenzátorem s vyšší sériovou indukčností či odporem, a tudíž i nižší, vlastní rezonanční frekvencí. V dalším kroku překreslete cesty na desce plošného spoje, zvláště pak ty, které nějak souvisí se smyčkou zatíženou spínáním s rychlými změnami proudu v čase. Vidíte, jak se změnilo rušení a interference?

K návrhu přizvěte ADS

Krásná fotografie spínaného zdroje na obr. 1 zde vůbec není náhodou. Jedná se o vývojovou desku TDTTP4000W066C-KIT od společnosti Transphorm pohybující se na poli výkonových struktur GaN. Výrobce ji nachystal pro účely jednofázové AC/DC konverze se spínacím kmitočtem 66 kHz a výkonem 4000 wattů [2]. Uplatní se při návrhu zdrojů napájení pro datová centra a široké spektrum dalších průmyslových aplikací.

Obr. 1 Hardwarová podoba vývojového nástroje TDTTP4000W066C-KIT, celým jménem
„4kW Totem-pole PFC GaN Evaluation Platform with Microchip’s dsPIC® Digital Power PIM“ [2]

Vedle obvodů dsPIC33CK256MP506 od Microchipu bude stavět právě na součástkové základně SuperGaN® se 650V tranzistory FET TP65H035G4WS [3] – viz také obr. 2 a obr. 3.

Obr. 2 Potřebné řízení zdroje zde na samostatné destičce zajišťuje dsPIC33CK256MP506 od Microchipu [2] 

Obr. 3 Řešení se odvíjí od 650V tranzistorů FET SuperGaN™ TP65H035G4WS v pouzdrech typu TO-247 se třemi vývody.
Výrobce je popisuje parametry, jako jsou V_DSS(TR) = 800 V nebo dynamický odpor v sepnutém stavu
R_DS(on)eff, max. 41 mΩ, a také typickými Q_RR = 50 nC či Q_G = 22 nC [3]

Na výhodné spojení mezi technologiemi nitridu galia a známého výrobce mikročipů jsme pak na stránkách DPS Elektronika od A do Z upozornili již dříve v [4].

Z únorové tiskové zprávy firmy Keysight Technologies [5] nicméně vyplývá další zajímavý přesah. V duchu výše uvedeného bude totiž možné vše náležitě prověřit ještě ve virtuální podobě. Známý výrobce měřicí techniky zde přichází s možnostmi svého softwaru PathWave ADS odkazujícího na Advanced Design System a řešícího otázky spojené s modelováním, obvodovými návrhy a také simulacemi (na našem webu viz také [6]). Díky takto pojatému referenčnímu návrhu – virtuálnímu prototypu − budou moci vývojáři rozpoznat a následně se též efektivně vypořádat s možnými potížemi ve svém zapojení zdroje, a to ještě předtím, než začnou stavět samotný hardware.

Obr. 4 V případě moderních zdrojů napájení se vyplatí začít nejprve u virtuálního prototypu – třeba s nástroji PathWave ADS od společnosti Keysight Technologies navrženými pro modelování, obvodové návrhy a také simulace [1]

V časové a frekvenční oblasti...

Vývojářům, kteří jsou na to připraveni, mají technologie GaN rozhodně co nabídnout [7]. Vynikají nejen z hlediska dosahované účinnosti, ale také hustoty výkonu či celkových nákladů. Některá specifika však není radno podceňovat. Jedná se např. o svižné spínání provázené špičkami napětí a nechtěným elektromagnetickým rušením. Ke slovu se tak opět dostává optimalizovaný layout zahrnující též i vhodné rozmístění součástek.

Softwarové nástroje PathWave ADS v rámci svého balíčku, určeného právě pro výkonové systémy, vychází z jednoduchého, ale nesmírně důležitého zjištění: zatímco klasická elektronika vždy pracuje nějakým způsobem s informacemi ukrytými v analogové nebo číslicové podobě, výkonová elektronika je celá o tom, jak správně uchopit výkony – při samotném generování, ale také jejich konverzi a dalším nasměrování na cestě od zdroje až k zátěži [8]. Takové technologie dnes mají široké uplatnění – od výroby a distribuce energie přes překotně se rozvíjející automobilový průmysl s důrazem kladeným na elektrické pohony až po spotřební elektroniku. A právě zde má co říci společnost Keysight Technologies se svými nástroji pro návrh a modelování, takže bude možné celý vývojový proces nejen urychlit, ale také zajistit, aby výsledné řešení zůstalo přesné, spolehlivé a připravené k optimální činnosti.

... nebo i cloudu

Moderní zdroje napájení, třeba jako náš 4kW systém, zkrátka vyžadují precizní nakládání s výkony, stejně jako s proudy, které zde budeme spínat, a tradiční simulace vstupující do hry ještě před návrhem layoutu, třeba na úrovni SPICE, již proto nemusí zdaleka stačit. Zvláště, když nemohou počítat s napěťovými špičkami nebo elektromagnetickými interferencemi způsobenými parazitními vlivy na deskách plošných spojů, natož se pak připojit k internetu a skloňovat při náročných výpočtech opět a zase výše zmiňované výkony, kterých zde ale budeme mít v cloudu na „rozdávání“ [9].

Obr. 5 Možnosti softwarových nástrojů PathWave obecně umocňuje zpracování v prostředí cloudu, jehož prostřednictvím tak bude možné vyloučit omezení způsobovaná nedostatečným výkonem výpočetní techniky. Smyslem je dále zlepšovat možnosti vlastního návrhu, spolehlivost vyvíjených zařízení a také snižovat případná rizika;
ilustrace s laskavým svolením Keysight Technologies, Inc. [9]

robenek@dps-az.cz