CST Microwave Studio

Symulacje elektromagnetyczne i co-symulacja obwodów w zasilaczu impulsowym, takim jak przetwornica DC-DC, obejmuje model 3D oraz model obwodu. Model 3D jest symulowany w CST Microwave Studio (CST MWS), a komponenty, zazwyczaj w formacie SPICE, są połączone z modelem 3D wewnątrz schematu obwodu w CST Design Studio. Takie podejście zapewnia dokładną odpowiedź systemu, jednakże rozkład pola nie może być poprawnie modelowany za pomocą SPICE. Szczególnie dotyczy to modelowania rozkładu pola magnetycznego dławika, które można modelować jedynie przy użyciu modelu 3D. 

Dodatkowo, gdy prąd wyjściowy przetwornicy DC-DC wzrasta, prąd w dławiku również się zwiększa. Dalsze zwiększenie prądu stałego w dławiku prowadzi do (częściowego) nasycenia obwodu magnetycznego, co skutkuje spadkiem wartości indukcyjności. 

3D elektromagnetyczna co-symulacja obwodów 

Pierwszym krokiem co-symulacji jest import modelu 3D płytki PCB do CST MWS. Połączenia komponentów są modelowane za pomocą portów dyskretnych. Każdy z portów dyskretnych jest wzbudzany, a wyniki parametrów S są dostępne po symulacji 3D. Rysunek 1 pokazuje model PCB i porty dyskretne. 

Następnie komponenty obwodu, takie jak rezystory (R), cewki (L), kondensatory (C), diody oraz tranzystory, są łączone w schemacie z blokiem CST MWS, który zawiera informacje o pasożytniczych parametrach PCB. Zachowanie elektryczne pasywnych komponentów obwodu można reprezentować za pomocą modelu SPICE lub modelu touchstone. Dla aktywnych komponentów obwodu wymagany jest model SPICE. Kompletne połączenie komponentów obwodu i bloku CST MWS można zobaczyć na rysunku 2. 

Jak wspomniano wcześniej, aby dokładnie modelować efekt radiacji pola dławika mocy w symulacji, należy uwzględnić model 3D cewki. Materiał korpusu dławika jest modelowany za pomocą pierwszego rzędu modelu dyspersji magnetycznej Debye'a, z permeancją statyczną wynoszącą 125. Rysunek 3 przedstawia model 3D dławika mocy w CST MWS. Następnie umieszcza się go na PCB przy użyciu funkcji importu podprojektu, jak pokazano na rysunku 4, a następnie wykonuje symulację. 

W celu zobrazowania różnic w radiacji pola magnetycznego, porównano rozkład pola magnetycznego dla modelowania obwodowego dławika mocy z portem dyskretnym z modelem dławika 3D (rysunek 5). 

Podobnie, możemy także zaobserwować różnice w sile pola magnetycznego przy użyciu sondy pola bliskiego. W przeciwieństwie do monitora pola bliskiego, sonda pola bliskiego zapewnia wynik szerokopasmowy. Sonda jest umieszczona 10 mm nad PCB. Rysunek 6 pokazuje porównanie pola H pomiędzy modelem dławika 3D a modelem obwodowym. 

Pomiar pola magnetycznego w większej odległości od PCB pokazuje niemal brak różnicy między tymi dwoma podejściami. Niebieskie obszary, jak pokazano na rysunku 5, oznaczają rejony, w których pole magnetyczne staje się mniej wyraźna wraz ze zwiększaniem odległości od PCB. 

Modelowanie częściowo nasyconego materiału magnetycznego 

W praktycznych zastosowaniach przetwornic podwyższających napięcie, gdy dławiki mocy poddawane są wysokim prądom wejściowym DC, materiał magnetyczny osiąga stan nasycenia, co prowadzi do zmiany jego względnej przenikalności magnetycznej. 

Efekt nasycenia materiału magnetycznego w symulacji opisuje nieliniowe zachowanie początkowej krzywej magnesowania B-H. Informacje o krzywej B-H można uzyskać od dostawcy komponentu lub opisać za pomocą formuły analitycznej. W tym artykule używamy definicji materiału z formułą analityczną, dostępną w CST Studio Suite w makrach VBA pod ścieżką Materials → Create Analytical Soft-Magnetic B (H). Interfejs tego makra pokazano na rysunku 7. 

W przypadku tego przykładu początkowa przenikalność wynosi 125. Parametry tuningowe oraz nasycenia magnetycznego są początkowo zdefiniowane z wartościami domyślnymi i dostosowywane na podstawie informacji o prądzie nasycenia z danych katalogowych dostawcy, co prowadzi do zmniejszenia wartości początkowej indukcyjności o 20%. 

Metodologia symulacji uwzględniający efekt nasycenia 

Cały proces można opisać w następujących krokach: 

1. Modelowanie miękkiego materiału magnetycznego dławika z nieliniową krzywą B-H. 

2. Utworzenie projektu symulacyjnego z wykorzystaniem „Biased Ferrite-EM Coupling” w CST Design Studio. 

3. Obliczenie pola statycznego w projekcie M-Static oraz jego eksport do projektu EM1. 

4. Symulacja wysokiej częstotliwości w projekcie EM1 z wykorzystaniem importowanego modelu 3D PCB i dławika mocy. 

Szczegóły dla parametrów, wyników symulacji oraz wpływu nasycenia są rozwinięte w pozostałej części artykułu, z odpowiednimi rysunkami, które ilustrują kluczowe różnice i efekty. 

Wnioski 

Artykuł przedstawia cały proces co-symulacji uwzględniający efekt nasycenia materiału magnetycznego na przykładzie przetwornicy podwyższającej napięcie. Zwiększone nasycenie prowadzi do redukcji wartości indukcyjności, co skutkuje większymi tętnieniami prądu. Taki przepływ pracy można zastosować również w komponentach filtrów EMI, gdzie efekt nasycenia może mieć większy wpływ na wydajność EMC.