Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2020, № 2 · RADIO ELECTRONICS RELATED PROBLEMS

Representing a multi-winding transformer for circuit simulation procedures

M.M. Gourary1,2

1 Институт проблем проектирования в микроэлектронике Российской академии наук, Zelenograd, Russia
2 Institute for Design Problems in Microelectronics of Russian Academy of Sciences, Sovetskaya Street, Russia
Full text (PDF) DOI: 10.30898/1684-1719.2020.2.10 UDC 004.942 EDN KPJRWV

Abstract

A method for constructing models of transformers with a complex magnetic circuit structure is proposed in the paper. The method takes into account the basic physical phenomena in ferrite cores. Models are presented in the VHDL-AMS language and are intended for the use in electronic circuit simulation programs. The model uses the capabilities of VHDL-AMS to describe a set of objects of various physical nature represented by systems of algebraic and ordinary differential equations to write conservation laws. The general principle of the proposed approach is the joint simulation of the transformer magnetic circuit and the electrical circuit with windings on sections of the magnetic circuit. That is, any multi-winding transformer with an arbitrary structure of the magnetic circuit is presented as a circuit that includes two types of components - magnetic sections and windings. A magnetic section has two magnetic terminals providing the connection with other sections and one magnetoelectric terminal to represent the correspondence of the winding to this section. A winding has two standard electrical terminals and one magnetoelectric terminal connecting to the corresponding terminal of the wounded section. Magnetic and magnetoelectric variables include magnetic voltage, magnetic flux, and magnetomotive force. To consider the hysteresis effect in a ferromagnetic core, we use the well-known Jiles-Atherton model. The inclusion of this model in the transformer description is based on the capabilities of the VHDL-AMS to represent digital-to-analog devices. As a digital signal, the sign of the rate of change of the magnetic field strength in each section of the magnetic circuit is used. The application of the model is considered on the example of simulating the input part of the radio frequency receiver.

  • моделирование
  • радиотехника
  • трансформатор
  • гистерезис
  • высокоуровневый язык проектирования
  • simulation
  • radio engineering
  • transformer
  • hysteresis
  • high level design language
Аннотация (на русском)

Представление многообмоточного трансформатора для процедур схемотехнического моделирования

В статье предложен метод построения моделей трансформаторов со сложной структурой магнитопровода, учитывающий основные физические явления в ферритовых сердечниках. Модели записаны на языке VHDL-AMS и предназначены для использования в программах моделирования электронных схем.

For citation

Gourary M.M. Representing a multi-winding transformer for circuit simulation procedures // Journal of Radio Electronics. – 2020. – No. 2. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.2.10

References

  1. Зернов Н., Карпов В. Теория радиотехнических цепей. Рипол Классик, М. 2013, 900 c.
  2. Антипенский Р.В., Фадин А.Г. Схемотехническое проектирование и моделирование радиоэлектронных устройств. Техносфера, 2007, 128С.
  3. Русаков С.Г. Моделирование нелинейных радиочастотных схем в системах автоматизации схемотехнического проектирования. Автоматизация проектирования. - 1997. - Вып. 2, с. 2-8.
  4. Легостаев Н. С. Магнитные элементы электронных устройств: учебное пособие. Томск: Эль Контент, 2014. - 186 с.
  5. Володин В.С. Моделирование сложных электромагнитных компонентов при помощи Spice симулятора LTspice/SwCAD III // Компоненты и Технологии ISSN: 2079-6811 2008 № 4. https://www.kit-e.ru/assets/files/pdf/2008_4_175.pdf
  6. IEEE Standard VHDL Analog and Mixed-Signal Extensions. In: IEEE Std. 1076.1-2017 (Revision of IEEE Std. 1076.1-2007). P. 1-672. 26 Jan. 2018 DOI: 10.1109/IEEESTD.2018.8267464, https://ieeexplore.ieee.org/document/8267464?denied=
  7. Jiles D. С. and Atherton D. L. Theory of Ferromagnetic Hysteresis // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. North-Holland. 1986. No. 61. P. 48-60.
  8. VHDL Language Reference Manual (IEEE Std. 1076-1987/1993) // IEEE Inc. N. Y. 10017. USA. 1988/1993.
  9. Nikitin P., Shi C.-J. VHDL-AMS based modeling and simulation of mixed-technology microsystems: a tutorial. Integration, the VLSI Journal. 2007. No.40(3). P.261-273. DOI: 10.1016/j.vlsi.2005.12.002.
  10. Антипов Б.Л., Лазарева Н.П., Сорокин В.С. Материалы и элементы электронной техники. Учебник. Том 2. Активные диэлектрики, магнитные материалы, элементы электронной техники. Лань, 2016, 384 С.
  11. Carpenter К. H. A differential equation approach to minor loops in the Jiles- Atherton hysteresis model // IEEE Trans. Magn. 1991. Vol. 27. No.6. P. 4404-4406.