Một bộ nguồn chuyển mạch chạy đúng trên sơ đồ SPICE vẫn có thể cho quá áp trên MOSFET vượt định mức, dao động vài chục MHz ở nút chuyển mạch và trượt phép thử EMI dẫn ngay lần đo đầu. Thủ phạm thường không nằm trong sơ đồ mà nằm trên bo mạch: vài nano henry điện cảm của vòng chuyển mạch, vài picofarad điện dung giữa lớp đồng và tản nhiệt. Mô phỏng nguồn chuyển mạch chỉ có giá trị khi đưa được những ký sinh này vào. Bài viết này trình bày cách PathWave ADS PEPro của Keysight làm việc đó, các công thức kiểm tra nhanh tổn hao và dao động, và cách đối chiếu kết quả mô phỏng với phép đo trên bàn.
Vì sao mô phỏng nguồn chuyển mạch thường lệch xa phép đo
Mô phỏng tiền bố trí (pre-layout) coi mọi dây nối là lý tưởng. Với bộ nguồn tuyến tính hay mạch tần số thấp, sai lệch này nhỏ. Với nguồn chuyển mạch dùng SiC hoặc GaN, sườn chuyển mạch chỉ vài nano giây và tốc độ biến thiên dòng rất lớn, nên điện cảm nhỏ nhất trên đường dòng cũng sinh ra điện áp đáng kể theo quan hệ V = L·di/dt. Tài liệu ứng dụng PRD-08710 của Wolfspeed mô tả đúng cơ chế này: điện cảm tản trong vòng chuyển mạch cộng với di/dt cao cảm ứng điện áp trên linh kiện và gây quá áp. Chỗ gãy do di/dt trên dạng sóng VDS chính là sụt áp trên điện cảm vòng chuyển mạch.
Một ví dụ điển hình được SemiEngineering (2022) dẫn lại: với nửa cầu SiC của Wolfspeed, mô phỏng SPICE thuần phải cộng tay thêm 16 nH điện cảm cực nguồn mới khớp được dao động 65 MHz đo thực. Thiết kế tham chiếu trong PEPro, với ký sinh trích xuất từ bố trí, khớp được dao động 65 MHz mà không cần chỉnh tay. Khoảng cách giữa “đoán ký sinh” và “trích xuất ký sinh” chính là khoảng cách giữa mô phỏng và thực tế.
PathWave ADS PEPro là gì
PEPro (Power Electronics Professional) là gói bổ sung cho PathWave ADS, được Keysight công bố ngày 18/03/2019 và phát hành chính thức ngày 01/07/2019. Theo mô tả của Keysight, PEPro có sẵn các phân tích quá áp và EMI, và biến phân tích sau bố trí dễ như phân tích tiền bố trí. Ngày 16/03/2020, Keysight bổ sung phân tích EMI bức xạ với bàn thử dựng sẵn, phân tích trường xa miền tần số và so với mặt nạ giới hạn quy định. Mục tiêu là tiền kiểm tuân thủ trên nguyên mẫu ảo của nguồn chuyển mạch.
Về kỹ thuật, PEPro là nền tảng đồng mô phỏng điện từ–mạch. Nó ước lượng điện cảm ký sinh trên bố trí, gồm cả điện cảm, điện trở riêng và tương hỗ. Kết quả dạng tham số S được đưa ngược vào mô phỏng quá độ, như Power Electronics News mô tả năm 2023. Trang sản phẩm ADS cho điện tử công suất của Keysight hiện liệt kê:
- môi trường thử EMI dẫn và bức xạ ảo với bàn thử dựng sẵn;
- phân tích nhiệt ở mức bo mạch và sơ đồ: nhiệt độ tiếp giáp, tổn hao, bản đồ nhiệt;
- dự đoán tổn hao và tối ưu hiệu suất;
- mô hình linh kiện dựa trên vật lý cho GaN, SiC, Si và IGBT;
- mô hình lõi từ phi tuyến và trích xuất ký sinh cuộn dây.
Mô hình linh kiện có thể lấy từ đo thực. Keysight dùng hệ PD1000A để đo đặc tuyến DC và xung kép, sau đó phần mềm W8598BP Power Electronics Model Generator trích xuất mô hình Verilog-A cho ADS. Mô hình SiC MOSFET, IGBT và GaN có từ ADS 2017. Tại Việt Nam, Techmaster phân phối các gói phần mềm thiết kế PathWave, trong đó có phần mềm thiết kế PathWave Keysight W4321EP; cấu hình giấy phép cụ thể cho điện tử công suất cần được xác nhận theo từng dự án.
Tổn hao chuyển mạch: công thức gần đúng và giới hạn của nó
Với chuyển mạch cứng, các tài liệu ứng dụng thường dùng xấp xỉ:
PSW ≈ ½ · VIN · ID · (tR + tF) · fSW
Công thức này tốt để ước lượng ban đầu, nhưng nó giả định sườn tuyến tính và bỏ qua dao động sau chuyển mạch. TI (SLPA010) chỉ ra điểm đánh đổi: làm chậm quá trình đóng giúp giảm di/dt và dv/dt, tức giảm quá áp và nhiễu, nhưng làm tăng tổn hao chuyển mạch. Không có công thức tay nào giải được đánh đổi này khi ký sinh bố trí thay đổi dạng sườn. Đây là chỗ mô phỏng quá độ có ký sinh trích xuất trả lời chính xác hơn: nó cho dạng sóng VDS và ID thật, từ đó tích phân tổn hao trực tiếp.
Ký sinh bố trí mạch in: vòng chuyển mạch, quá áp và dao động
Điện dung đầu ra của MOSFET cùng điện cảm ký sinh (chân vỏ, đường mạch) tạo thành một mạch cộng hưởng, gây quá áp và dao động ở nút chuyển mạch (TI SLPA010). Tần số dao động tuân theo:
fRING = 1 / (2π·√(L·C))
Công thức này dùng được theo chiều ngược để ước lượng ký sinh từ phép đo. Ví dụ trong tài liệu AN11160 của Nexperia: dao động 91,74 MHz ứng với L = 3,73 nH và C = 807 pF. Quy trình thực tế là đo tần số dao động trên máy hiện sóng, biết COSS từ datasheet hoặc từ phép đo, rồi suy ra điện cảm vòng. So con số này với điện cảm mà mô phỏng trích xuất được là một phép kiểm tra chéo rất hiệu quả.
Ba nguyên tắc bố trí giảm ký sinh vẫn đúng dù có mô phỏng hay không: thu nhỏ diện tích vòng chuyển mạch nóng (tụ đầu vào – khoá cao – khoá thấp), đặt đường về ngay dưới đường đi ở lớp kề để triệt từ thông, và tách cực nguồn Kelvin cho mạch lái cổng. Mô phỏng sau bố trí cho biết mỗi thay đổi bố trí đổi được bao nhiêu nano henry.
Mô phỏng EMI nguồn chuyển mạch trước khi lên buồng đo
Phép thử EMI dẫn đo điện áp nhiễu trên mạng ổn định trở kháng đường dây (LISN) đặt giữa nguồn cấp và thiết bị. Với thiết bị đa phương tiện theo CISPR 32 / EN 55032, dải đo dẫn là 150 kHz–30 MHz và LISN 50 µH/50 Ω được định nghĩa trong CISPR 16-1-2. Với linh kiện ô tô, theo tóm tắt của TI (SSZT673), phương pháp điện áp dẫn của CISPR 25 dùng mạng 5 µH/50 Ω và đo 150 kHz–108 MHz. Giới hạn lớp 5 ở 68–108 MHz là 18 dBµV trung bình và 38 dBµV đỉnh.
Keysight có tài liệu hướng dẫn mô phỏng EMI dẫn trong ADS với bàn thử CISPR 25 / EN 55025 và LISN dựng sẵn. Điều quan trọng về phương pháp: mô phỏng chỉ trung thực khi mô hình LISN, cáp và ký sinh bo mạch đều có mặt. Phổ nhiễu ở vùng vài chục MHz gần như hoàn toàn do dao động ở nút chuyển mạch và các đường ghép ký sinh quyết định. Đó chính là vùng mà mô phỏng tiền bố trí không thấy. Dùng mô phỏng để xếp hạng phương án lọc và bố trí, rồi xác nhận bằng phép đo tiền kiểm, rẻ hơn nhiều so với sửa bo sau khi trượt buồng đo.
Đối chiếu mô phỏng với phép đo trên bàn
Mô phỏng tốt vẫn cần một phép đo tham chiếu để khép vòng. Ba đại lượng nên so trực tiếp: đỉnh quá áp VDS, tần số dao động sau chuyển mạch, và dạng dòng trong cuộn cảm.
Keysight MSOX4154G có băng thông 1,5 GHz, 4 kênh tương tự và 16 kênh số, 5 GSa/s và bộ nhớ 4 Mpts. Băng thông đó thừa sức ghi dao động vài chục tới vài trăm MHz ở nút chuyển mạch. Tuỳ chọn D4000PWRB bổ sung phép đo công suất, đo PSRR và đáp ứng vòng điều khiển. Đáp ứng vòng là một phép đo khác cũng cần đối chiếu với mô phỏng, được trình bày trong bài đo đáp ứng vòng điều khiển nguồn chuyển mạch bằng biểu đồ Bode.
Keysight N7026A là đầu dò dòng kẹp AC/DC độ nhạy cao, băng thông DC tới 150 MHz, độ phân giải 1 mA/div, đo tới 30 A liên tục và 40 A không liên tục khi dùng bộ cấp nguồn ngoài, tiếp nhận nguồn qua giao diện AutoProbe. Kẹp dòng cho phép so dạng dòng cuộn cảm với mô phỏng mà không phải cắt mạch. Nếu cần đo dòng trong vòng chuyển mạch nhanh nhất, nên cân nhắc thêm điện trở shunt đồng trục vì kẹp dòng tự nó thêm điện cảm vào vòng đo.
Hai lưu ý khi so: đặt dây mass đầu dò điện áp thật ngắn, vì chính vòng mass dài gây dao động giả trên dạng sóng; và bù trễ giữa kênh áp và kênh dòng trước khi nhân ra công suất tức thời. Nếu hai lưu ý này bị bỏ qua, sai lệch giữa mô phỏng và đo có thể nằm ở phép đo chứ không ở mô hình.
Kết luận
Mô phỏng nguồn chuyển mạch có ích khi nó dự đoán đúng những gì sẽ làm hỏng thiết kế: quá áp, dao động, tổn hao và phổ EMI. Cả bốn đều do ký sinh bố trí mạch in chi phối. PathWave ADS PEPro giải quyết bằng cách trích xuất ký sinh điện từ từ bố trí thật và đưa vào mô phỏng quá độ, kèm bàn thử EMI và phân tích nhiệt dựng sẵn. Nhưng mô phỏng chỉ đáng tin sau khi đã được đối chiếu với dạng sóng đo trên máy hiện sóng và đầu dò đủ băng thông.
Phép đối chiếu đó chỉ có ý nghĩa khi máy hiện sóng và đầu dò còn trong dung sai: sai số hệ số chuyển đổi của kẹp dòng đi thẳng vào con số tổn hao. Techmaster Electronics cung cấp dịch vụ hiệu chuẩn máy hiện sóng và đầu dò theo ISO/IEC 17025 — liên hệ hotline 0908 173 345 để được tư vấn giải pháp thiết kế và đo kiểm điện tử công suất.
