Simulieren der Strompumpenleistung mit Toleranz und Temperatur

In diesem Artikel verwenden wir LTspice, um die Präzision einer Strompumpenschaltung zu analysieren, wenn alle Widerstände nicht ideal sind und die Temperatur im Fahrzeug variiert Temperaturbereich.

Letzte Woche habe ich zwei Artikel über eine Konstantstromquellenschaltung geschrieben, die aus zwei Operationsverstärkern und fünf Widerständen besteht:

Diagramm einer Präzisionsstrompumpe. Bild mit freundlicher Genehmigung von Analog Devices

Im zweiten dieser beiden Artikel habe ich LTspice verwendet, um den Einfluss einer unvollkommenen Widerstandsanpassung auf den Fehler der Schaltung zu bewerten, wobei der Fehler als Differenz zwischen dem simulierten Laststrom und dem durch die Formel in der App-Notiz vorhergesagten Laststrom berechnet wurde.

\[I_{OUT}=\frac{V_{IN}\left(\frac{R4}{R2}\right)}{R1}\]

Unvollkommene Übereinstimmung wurde simuliert, indem die Monte-Carlo-Funktion von LTspice verwendet wurde, um die Werte von R3 und R5 innerhalb einer bestimmten Toleranz zu variieren. Die Größe des Ausgangsstroms ist direkt proportional zu den Werten von R1, R2 und R4, und diese drei Widerstände blieben auf ihrem Nennwert.

In diesem Artikel führen wir eine umfassendere Simulation der realen im Vergleich zur theoretischen Leistung durch. Alle Widerstände haben eine Toleranz von 0,1% und wir berücksichtigen auch Schwankungen der Betriebstemperatur. Das Ziel hier ist es, tatsächlich zu verstehen, wie viel Präzision wir von dieser Schaltung unter realen Bedingungen erwarten können.

Simulation bei bestimmten Temperaturen

Einige der in LTspice enthaltenen Operationsverstärkerkomponenten weisen Temperaturschwankungen auf, andere nicht. Wenn es einen bequemen Weg gibt, um herauszufinden, welche welche sind, konnte ich sie nicht finden, also habe ich einfach die Rate-and-Check-Methode verwendet.

Der LT1001A, den wir in der vorherigen Simulation verwendet haben, ist nicht in der Kategorie Temperaturabhängigkeit. Nachdem ich einige andere Operationsverstärker getestet hatte, die nicht der Rechnung entsprachen, stellte ich fest, dass der AD8606, ein Präzisions-Operationsverstärker für Niederspannungsanwendungen, irgendwo in seinem Makromodell eine Temperaturabhängigkeit aufweist.

Mit der „temp“-Direktive können wir die Temperatur in die Schaltungsberechnungen von LTspice einbeziehen. Beispielsweise führt „.temp -40 125“ eine Simulation bei –40 °C und eine weitere bei +125 °C durch.

Die folgende Schaltung zeigt an, ob ein Operationsverstärker bei verschiedenen Temperaturen unterschiedliche Ergebnisse liefert.

Der erwartete Ausgangsstrom beträgt (0,6 V – 0,5 V)/(100 Ω) =1 mA. Hier sind die simulierten Ausgangsstromwerte, die bei den in der „temp“-Richtlinie angegebenen Temperaturen erhalten wurden:

Monte-Carlo-Simulation mit Temperaturänderungen

Wenn wir die Monte-Carlo-Funktion ("mc" in LTspice) auf den Wert eines Widerstands anwenden und die Direktive ".step param run ..." verwenden, besteht die Simulation aus mehreren unabhängigen Durchläufen und für jeden Durchlauf wird der mc Die Funktion wählt einen neuen Wert aus dem Bereich aus, der durch die angegebene Toleranz bestimmt wird.

Wir tun so, als ob die beabsichtigte Anwendung eine Funktionalität über den gesamten Temperaturbereich des Automobils erfordert, der von –40°C bis +125°C beträgt. Dies ist auch der Betriebstemperaturbereich des AD8606. Wenn wir eine „temp“-Anweisung hinzufügen, wird die Anzahl der Durchläufe mit der Anzahl der Temperaturen in der Liste multipliziert.

Die Einbeziehung zahlreicher Temperaturen innerhalb des Bereichs würde zu langen Simulationszeiten führen, und ein Szenario, in dem dies erforderlich wäre, ist schwer vorstellbar. Ein Operationsverstärker wird als Reaktion auf einen moderaten Anstieg oder Abfall der Betriebstemperatur keine starken Leistungsschwankungen aufweisen.

Tatsächlich zeigt das vorherige Diagramm, dass der Einfluss der Temperatur monoton und sehr subtil ist. Daher denke ich, dass wir Temperatureinflüssen angemessen Rechnung tragen können, indem wir mehrere Temperaturen auswählen, die den gesamten Bereich abdecken.

Hier ist der Schaltplan, den ich für die Widerstand-Toleranz-plus-Temperatur-Simulation verwendet habe:

Und hier ist ein Diagramm des simulierten Laststroms für die 900 Läufe (100 Läufe pro Temperatur).

Leistungsstatistik

Mein bevorzugter nächster Schritt besteht darin, die Ergebnisse als Textdatei zu exportieren und die Textdatei dann zur weiteren Analyse in Excel zu importieren. Klicken Sie dazu mit der rechten Maustaste auf den Plot und wählen Sie Datei -> Daten als Text exportieren. So sehen die Daten aus, nachdem ich die Textdatei in Excel importiert habe:

Jetzt kann ich leicht alle Statistiken berechnen, die mich interessieren. Der Durchschnittswert beträgt 0,9977 mA, sodass eine Nichtidealität im Operationsverstärker einen kleinen Offset verursachte (0,0023 mA oder 0,23% des erwarteten Ausgangsstroms). Die Standardabweichung beträgt 2,86 µA und die maximalen und minimalen Werte sind 1,0053 mA und 0,9899 mA.

Ich finde die maximalen und minimalen Ergebnisse sehr beeindruckend:Selbst wenn alle Widerstände einer Toleranz von 0,1% unterliegen und die Temperatur über einen weiten Bereich schwankt, kann ich erwarten, dass der Laststrom nicht mehr als etwa 5 µA in positiver Richtung vom gewünschten Strom abweicht und 10 µA in negativer Richtung.

Schlussfolgerung

Wir haben eine Monte-Carlo-Methode mit der „temp“-Direktive von LTspice kombiniert, um die realistische Leistung einer Präzisionsstromquelle mit zwei Operationsverstärkern zu untersuchen. Die statistische Analyse der Simulationsergebnisse zeigt, dass die Schaltung über einen sehr weiten Temperaturbereich eine hervorragende Präzision bietet.