在今日的系統(tǒng)電路板上，電壓軌及電源數(shù)量越來越多。 對于先進的電源設(shè)計方案而言，尺寸、效率、熱性能和瞬時性能都是至關(guān)重要的。 那么，為特定應(yīng)用設(shè)計客制的內(nèi)建電源設(shè)計方案而非使用商用電源磚，效率將會更高，也會有更佳的成本效益。 對系統(tǒng)工程師而言，設(shè)計和優(yōu)化開關(guān)模式電源已變得越來越常見，而且也成了必要的任務(wù)。 不幸的是，這種任務(wù)常常耗費大量時間，技術(shù)上也很有挑戰(zhàn)性。 為簡化此種設(shè)計任務(wù)，提高設(shè)計質(zhì)量和生產(chǎn)率，凌力爾特的電源應(yīng)用專家特別開發(fā)出電源設(shè)計和優(yōu)化工具 LTpowerCAD 程序；這款基于 PC的程序可從在線免費下載。 本文將介紹如何透過幾個簡便的步驟，進行開關(guān)模式電源關(guān)鍵參數(shù)的「紙上設(shè)計」，并得到良好的設(shè)計結(jié)果。 「紙上設(shè)計」可能非常難且耗費大量時間 要設(shè)計和優(yōu)化一個內(nèi)建電源，傳統(tǒng)的「紙上設(shè)計」方法可能非常難，并且耗費大量時間。 在定義完電源性能規(guī)格后，工程師首先需要選擇轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌缬糜诮祲簯?yīng)用的降壓轉(zhuǎn)換器，或用于升壓應(yīng)用的升壓轉(zhuǎn)換器。 其次，工程師需要選擇電源管理IC，選擇時或者基于過去的經(jīng)驗，或者在網(wǎng)上搜索可用工具。 然后，工程師需要基于自己的知識或廠商在數(shù)據(jù)表中所提供的公式來計算電源組件的值。 接下來是從成千上萬種組件中選出電源組件，例如電感器、電容器和MOSFET。 下一步則是估計電源效率和功耗，同時確保組件的熱量負(fù)擔(dān)是可接受的。 到這里還沒結(jié)束，回路補償設(shè)計是另一個富有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，因為完成這種任務(wù)需要復(fù)雜的電路模型和IC數(shù)據(jù)表所不提供的參數(shù)值。 最后，畫出原理圖，并將原型PCB電路板送至生產(chǎn)。 現(xiàn)在，到了工程師給電路板加電的時候了，在這一步，工程師要確保沒有振蕩輸出或過熱問題。 對于一位經(jīng)驗不足的電源設(shè)計師而言，上述設(shè)計流程是很有挑戰(zhàn)性的。 即使是經(jīng)驗豐富的電源設(shè)計師，傳統(tǒng)的「紙上設(shè)計」方法和實驗及排錯方法也是很難的，且要耗費大量時間，結(jié)果也不夠準(zhǔn)確，往往得不到最佳結(jié)果，而且它可能需要數(shù)小時，數(shù)天或甚至更長的時間。 能簡化設(shè)計任務(wù)的設(shè)計工具 為協(xié)助用戶節(jié)省時間、減少工作量并實現(xiàn)高質(zhì)量設(shè)計方案，凌力爾特的電源應(yīng)用專家開發(fā)了LTpowerCAD設(shè)計工具。 這款設(shè)計工具提供了一種系統(tǒng)化和簡便的方法，可透過5個簡便的步驟設(shè)計關(guān)鍵的電源參數(shù)：(1)輸入電源規(guī)格參數(shù)，選擇一個設(shè)計方案；(2)在自動提示信息的說明下優(yōu)化電源級參數(shù)；(3)優(yōu)化電源效率和功耗；(4)設(shè)計回路補償和優(yōu)化負(fù)載瞬時；(5)產(chǎn)生附有BOM和PCB =尺寸估計數(shù)字的總結(jié)報告。 圖1顯示了使用該設(shè)計工具的流程。 圖1 利用設(shè)計工具透過5個簡便步驟設(shè)計電源。 目前有很多既有的設(shè)計實例，包含凌力爾特在LTpowerCAD設(shè)計方案庫中的展示電路板和數(shù)據(jù)表電路；用戶還可以保存自己的設(shè)計，以建立自己的設(shè)計方案庫。 工程師可以使用這類設(shè)計方案，為未來的電源設(shè)計快速找到一個起點。 此外，LTpowerCAD設(shè)計還可以作為LTspice仿真電路輸出，以檢查時間域電源波形和瞬時性能。 藉由這些工具，系統(tǒng)工程師可以在幾分鐘、而不是幾小時或幾天完成一個高質(zhì)量電源電路設(shè)計，并且獲得很好的結(jié)果，大幅縮短產(chǎn)生第一個原型電路板的時間。 下面我們用一個LTpowerCAD設(shè)計例子詳細(xì)介紹一下這些設(shè)計步驟。 例如，一位工程師需要設(shè)計一個內(nèi)建電源，輸入范圍為10.8V~13.2V(12V正負(fù)10%)，輸出為1.0V，電流最大為20A。 這是一個典型的同步降壓轉(zhuǎn)換器。 步驟1─搜尋電源產(chǎn)品設(shè)計方案 第一步是搜尋關(guān)鍵電源IC或微型模塊，這是設(shè)計方案的核心。 可以依靠過去的經(jīng)驗選擇IC或微型模塊(μModule)，也可以進入LTpowerCAD設(shè)計方案搜索頁面尋找。 如圖2所示，在LTpowerCAD搜素頁面，用戶可以輸入電源規(guī)格參數(shù)，選擇可選功能，然后點擊「搜尋」軟鍵；之后從程序提供的列表中選出想要的組件。 圖2 設(shè)計步驟1—搜尋電源設(shè)計方案。 在圖2中，程序提供的IC設(shè)計方案列表的最左邊，是紅色的「LT」符號或綠色的「Excel」符號。 紅色「LT」符號意味著，LTpowerCAD設(shè)計工具可用于該組件。 綠色「Excel」符號意味著，基于Microsoft Excel電子表格的設(shè)計工具可用。 如果這兩種符號均為灰色，則意味著該組件還沒有適用的設(shè)計工具。 在這個例子中，為12VIN至1V/20A輸出的電源選出了LTC3833電流模式降壓控制器。 點擊紅色「LT」符號，就可以打開其設(shè)計工具。 步驟2 ─電源級設(shè)計 第二步是設(shè)計和選擇電源級組件，例如功率電感器、輸入和輸出電容器、電流檢測組件，以及功率MOSFET。 設(shè)計電源時，用戶通常需要從開關(guān)頻率fSW著手，然后選擇功率電感器，之后選擇輸入和輸出電容器。 功率MOSFET可以在第三步進行選擇/優(yōu)化。 如圖3所示，設(shè)計工具打開后，顯示主原理圖頁面，在關(guān)鍵組件旁邊是設(shè)計參數(shù)值。 在這個頁面上，設(shè)計參數(shù)值位于單元格(文本框)中，有兩種不同的背景顏色。 黃色表明，單元格中的值或者來自設(shè)計規(guī)格，或者是由LTpowerCAD工具計算/推薦的。 用戶不能直接編輯這些值。 藍(lán)色表明，單元格中的值是用戶的設(shè)計選擇。 用戶可以直接存取和編輯這些值。 圖 3 設(shè)計步驟 2─電源級設(shè)計頁面，提供原理圖和關(guān)鍵參數(shù)值。 對于關(guān)鍵電路參數(shù)(例如電感器漣波電流)，程序為每個組件提供了內(nèi)建限制。 如圖4所示，如果用戶設(shè)計的值超出了該限制，那么程序就自動發(fā)出警報，用橘黃單元格顏色顯示較弱的「軟」警報，或者用紅色單元格顏色顯示較強的「硬」警報，以此提醒和指導(dǎo)用戶檢查該值并調(diào)整設(shè)計。 內(nèi)建的限制/警報門坎值是應(yīng)用專家針對相關(guān)產(chǎn)品設(shè)定的建議值。 有必要提到的一點是，因為這是仿真設(shè)計方案，那么有時即使有警報，設(shè)計也是可接受的，只要用戶了解他們并確信與所選擇的設(shè)計值。 圖4 自動發(fā)出的警報指導(dǎo)用戶選擇恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計值。 在這個LTpowerCAD原理圖頁面，所有電源組件(例如電感器、電容器和FET)都可以從內(nèi)置的數(shù)據(jù)庫中選擇，只需點擊鼠標(biāo)即可。 至本文截稿為止，數(shù)據(jù)庫中已包含由很多廣受歡迎的廠商提供超過5,000種組件，而且還會經(jīng)常新增更多零組件。 用戶還可以輸入一個新組件的關(guān)鍵參數(shù)，在本地PC上建立自己的組件庫。 在這個12VIN至1V/20A降壓電源例子中，開關(guān)頻率設(shè)定為500kHz。 因此，要在DC IO(max)上實現(xiàn)40%峰值至峰值電感器電流漣波，那么經(jīng)計算得出的電感器值為0.23 μH。 從電感器庫中選出一個0.22μH/1.1mΩ的電感器。 在這個例子中，電感器繞組的DC電阻(DCR)用于電流檢測。 應(yīng)該檢查電流檢測網(wǎng)絡(luò)的值，以恰當(dāng)?shù)卦O(shè)定電流檢測訊號和電流限制。 如果AC電流檢測訊號太弱，程序就會發(fā)出警報，因為這有可能導(dǎo)致訊噪比問題，或者，如果電流限制值低于目標(biāo)值，程序也會發(fā)出警報。 選擇輸入電容器時，應(yīng)該滿足RMS電流額定值且具備最低的傳導(dǎo)損耗。 選擇輸出電容器時，要最大限度減小輸出電壓紋波和瞬時過沖 /下沖。 在稍后的回路補償和負(fù)載瞬時設(shè)計時間，這些電容器會最終確定下來。 功率MOSFET將在下一步中選擇，以實現(xiàn)高效率、估算功耗并進行優(yōu)化。 步驟3─電源效率和功耗優(yōu)化 用戶可以點擊「Loss Estimation and Breakdown」選項卡，進入下一個步驟，以優(yōu)化電源效率和功耗。 如圖5所示，用戶選定MOSFET并點擊「update」軟鍵后，程序就會提供在給定輸入電壓時電源效率和功耗隨負(fù)載電流變化的曲線，該曲線可能隨著VIN滑動條的變化而變化。 詳細(xì)的功耗數(shù)字圓餅圖可進一步說明用戶了解和調(diào)整設(shè)計參數(shù)和組件，以最大限度降低某些情況下的功耗，優(yōu)化整體效率。 圖 5 設(shè)計步驟 3－優(yōu)化效率和功耗。 LTpowerCAD功耗估算基于很多組件模型和方程序。 這包括功率MOSFET、電感器、電容器和IC閘極驅(qū)動器的功耗。 不過，要獲得實時結(jié)果，組件功耗模型使用的是簡化的行為模型，而不是復(fù)雜的物理模型。 注意在此工具中還沒有電感器AC功耗的模型，但是用戶可以選擇輸入這個功耗值。 因此，估計的效率有可能比實際硬件效率高幾個百分點。 即使如此，這個工具程序仍然提供了一種實時、快速的估算方法，可幫助用戶選擇和比較各種不同的可選組件，尤其是電感器和功率MOSFET。 步驟4─回饋回路設(shè)計和瞬時優(yōu)化 下一步是設(shè)計電壓回饋回路以及以良好的穩(wěn)定性裕度優(yōu)化負(fù)載瞬時性能。 這一步常常被看作是最具挑戰(zhàn)性的電源設(shè)計任務(wù)之一。 LTpowerCAD 設(shè)計工具使這個任務(wù)變得簡單和容易了。 圖6顯示了回路和瞬時設(shè)計頁面。 回路增益的波德圖可以實時調(diào)節(jié)，以透過調(diào)整補償R/C值，實現(xiàn)所希望的回路帶寬和相位裕度。 詳細(xì)的回路設(shè)計概念在參考數(shù)據(jù)中給出。 就一個開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器而言，通常建議在交叉頻率上有超過45度甚至60度的相位裕度，在1/2電源開關(guān)頻率fSW上有至少8dB增益衰減。 頁面中有很多選項卡，其中有一個選項卡提供電源輸出阻抗圖，以向用戶提供更多回路設(shè)計細(xì)節(jié)。 負(fù)載瞬時圖可供用戶定義負(fù)載步進大小和電流轉(zhuǎn)換率。 用戶可以針對給定設(shè)計「凍結(jié)曲線」，然后改變設(shè)計值或組件選擇，產(chǎn)生另外的設(shè)計，并在這些設(shè)計之間進行比較，以獲得最佳結(jié)果。 圖6 設(shè)計步驟4 —回饋回路和負(fù)載瞬時設(shè)計。 就給定負(fù)載瞬時條件(負(fù)載電流步進大小和轉(zhuǎn)換率)和VOUT過沖(overshoot)/下沖(undershoot)目標(biāo)限制而言，用戶可以調(diào)節(jié)回路，檢查回路帶寬、穩(wěn)定性和瞬時性能。 如果瞬時性能仍然不能滿足目標(biāo)，那么用戶可以提高輸出電容器(包括大容量電容器和陶瓷電容器)，然后重新調(diào)節(jié)回路，直到滿足設(shè)計目標(biāo)為止。 既然LTpowerCAD負(fù)載瞬時圖是從小訊號模型中得出的，速度非常快，但僅是一階近似的。 因此，有必要留出足夠(20%~30%)的瞬時設(shè)計裕度。 為了保證回路設(shè)計準(zhǔn)確度，每個LTpowerCAD設(shè)計工具在發(fā)布之前，我們的工程師對其在凌力爾特的標(biāo)準(zhǔn)展示電路板和回路測量上進行試驗臺驗證。 不過，在用戶的設(shè)計中，設(shè)計結(jié)果可能受到組件寄生值變化的影響，例如不準(zhǔn)確的電容器ESR值。 因此，用戶有必要透過原型測試驗證其最終設(shè)計。 步驟5 ─附有BOM和PCB尺寸的總結(jié)報告 在最后這個步驟中，用戶可以進入總結(jié)頁面，該頁面提供設(shè)計性能總結(jié)(圖7)以及簡要的電源組件材料單(BOM)和組件整體占板面積的粗略估計。 總結(jié)報告也可以打印出來。 圖7 設(shè)計步驟5 —總結(jié)、BOM和設(shè)計方案尺寸。 步驟6(可選)─輸出到LTspice仿真程序中