設計開(kāi)關(guān)模式電源關(guān)鍵參數的五大簡(jiǎn)單步驟

　　在如今的系統電路板上，電壓軌及電源數量越來(lái)越多。對于先進(jìn)的電源設計方案而言，尺寸、效率、熱性能和瞬態(tài)性能都是至關(guān)重要的，那么為特定應用設計定制的內置電源設計方案，而不是使用商用電源磚，效率會(huì )更高，也會(huì )有更佳的成本效益。對系統工程師而言，設計和優(yōu)化開(kāi)關(guān)模式電源已變得越來(lái)越常見(jiàn)，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(shí)間，技術(shù)上也很有挑戰性。

　　為了簡(jiǎn)化這種設計任務(wù)，提高設計質(zhì)量和生產(chǎn)率，凌力爾特公司的電源應用專(zhuān)家開(kāi)發(fā)了電源設計和優(yōu)化工具LTpowerCAD程序。本文介紹了怎樣通過(guò)幾個(gè)簡(jiǎn)便的步驟，進(jìn)行開(kāi)關(guān)模式電源關(guān)鍵參數的“紙上設計”，并得到很好的設計結果。

　　“紙上設計”可能非常難且耗費大量時(shí)間

　　要設計和優(yōu)化一個(gè)內置電源，傳統的“紙上設計”方法可能非常難，且耗費大量時(shí)間。在定義完電源性能規格后，工程師首先需要選擇轉換器拓撲，例如用于降壓應用的降壓型轉換器，或用于升壓應用的升壓型轉換器。其次，工程師需要選擇電源管理 IC，選擇時(shí)或者基于過(guò)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(chǎng)商在數據表中所提供的公式來(lái)計算電源組件的值。接下來(lái)是從成千上萬(wàn)種器件中選出電源組件，例如電感器、電容器和 MOSFET。下一步是估計電源效率和功耗，同時(shí)確保組件的熱量負擔是可接受的。到這里還沒(méi)完，環(huán)路補償設計是另一個(gè)富有挑戰性的任務(wù)，因為完成這種任務(wù)需要復雜的電路模型和 IC 數據表不提供的參數值。最后，畫(huà)出原理圖，并將原型 PCB 電路板送去生產(chǎn)?，F在，到了工程師給電路板加電的時(shí)候了，在這一步，工程師要確保沒(méi)有振蕩輸出或過(guò)熱問(wèn)題。對于一位經(jīng)驗不足的電源設計師而言，上述設計流程是很有挑戰性的。即使是經(jīng)驗豐富的電源設計師，傳統的“紙上設計”方法和實(shí)驗及排錯方法也是很難的，且要耗費大量時(shí)間，結果也不夠準確，往往得不到最佳結果。它可能需要數小時(shí)，數天或甚至更長(cháng)的時(shí)間。

　　LTpowerCAD設計工具簡(jiǎn)化設計任務(wù)

　　為了幫助用戶(hù)節省時(shí)間、減少工作量并實(shí)現高質(zhì)量設計方案，凌力爾特公司的電源應用專(zhuān)家開(kāi)發(fā)了LTpowerCAD設計工具。這款設計工具提供了一種系統化和簡(jiǎn)便的方法，可通過(guò) 5 個(gè)簡(jiǎn)便的步驟設計關(guān)鍵的電源參數：（1） 輸入電源規格參數，選擇一個(gè)設計方案；（2） 在自動(dòng)提示信息的幫助下優(yōu)化電源級參數；（3） 優(yōu)化電源效率和功耗；（4） 設計環(huán)路補償和優(yōu)化負載瞬態(tài)；（5） 產(chǎn)生附有 BOM 和 PCB 尺寸估計數字的總結報告。圖 1 顯示了使用LTpowerCAD設計工具的設計流程。

　　圖 1：采用LTpowerCAD設計工具，通過(guò) 5 個(gè)簡(jiǎn)便的步驟設計電源

　　有很多已有設計實(shí)例，包括凌力爾特在LTpowerCAD設計方案庫中的演示電路板和數據表電路。用戶(hù)還可以用LTpowerCAD保存自己的設計，以建立自己的設計方案庫。工程師可以使用這類(lèi)設計方案，為未來(lái)的電源設計快速找到一個(gè)起點(diǎn)。此外，LTpowerCAD設計還可以作為L(cháng)Tspice？仿真電路輸出，以檢查時(shí)間域電源波形和瞬態(tài)性能。

　　憑借這些強大的工具，系統工程師可以在幾分鐘、而不是幾小時(shí)或幾天完成一個(gè)高質(zhì)量電源電路設計，且獲得很好的結果。產(chǎn)生第一個(gè)原型電路板的時(shí)間大大減少了。

　　LTpowerCAD設計步驟和例子

　　下面我們用一個(gè)LTpowerCAD設計例子詳細介紹一下這些設計步驟。例如，一位工程師需要設計一個(gè)內置電源，輸入范圍為 10.8V 至 13.2V （12V ±10%），輸出為 1.0V，電流最大為 20A。這是一個(gè)典型的同步降壓型轉換器。

　　步驟 1━搜索電源產(chǎn)品設計方案

　　第一步是搜索關(guān)鍵電源 IC 或微型模塊，這是設計方案的核心?？梢砸揽窟^(guò)去的經(jīng)驗選擇 IC 或微型模塊 （μModule？），也可以進(jìn)入LTpowerCAD設計方案搜索頁(yè)面尋找。如圖 2 所示，在LTpowerCAD搜素頁(yè)面，用戶(hù)可以輸入電源規格參數，選擇可選功能，然后點(diǎn)擊“搜索”軟鍵。之后，從該程序提供的列表中選出想要的器件。

　　圖 2：設計步驟 1：搜索電源設計方案

　　在圖 2 中，程序提供的 IC 設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(zhù)，LTpowerCAD設計工具可用于該器件。綠色 “Excel”符號意味著(zhù)，基于Microsoft Excel電子表格的設計工具可用。如果這兩種符號均為灰色，則意味著(zhù)該器件還沒(méi)有適用的設計工具。

　　在這個(gè)例子中，為 12VIN至 1V/20A 輸出的電源選出了 LTC3833 電流模式降壓型控制器。點(diǎn)擊紅色“LT”符號，就可以打開(kāi)其設計工具。

　　步驟 2━電源級設計

　　第二步是設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。設計電源時(shí)，用戶(hù)通常需要從開(kāi)關(guān)頻率fSW著(zhù)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(jìn)行選擇/優(yōu)化。

　　如圖 3 所示，設計工具打開(kāi)后，顯示主原理圖頁(yè)面，在關(guān)鍵組件旁邊是設計參數值。在這個(gè)頁(yè)面上，設計參數值位于單元格 （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(lái)自設計規格，或者是由LTpowerCAD工具計算/推薦的。用戶(hù)不能直接編輯這些值。藍色表明，單元格中的值是用戶(hù)的設計選擇。用戶(hù)可以直接存取和編輯這些值。

　　圖 3：設計步驟 2：電源級設計頁(yè)面，提供原理圖和關(guān)鍵參數值

　　對于關(guān)鍵電路參數 （例如： 電感器紋波電流），程序為每個(gè)器件提供了內置限制。如圖 4 所示，如果用戶(hù)設計的值超出了該限制，那么程序就自動(dòng)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，以此提醒和指導用戶(hù)檢查該值并調整設計。內置的限制/警報門(mén)限值是應用專(zhuān)家針對相關(guān)產(chǎn)品設定的建議值。有必要提到的一點(diǎn)是，因為這是模擬設計方案，那么有時(shí)即使有警報，設計也是可接受的，只要用戶(hù)了解他們并確信與所選擇的設計值。

　　圖 4：自動(dòng)發(fā)出的警報指導用戶(hù)選擇恰當的設計值

　　在這個(gè)LTpowerCAD原理圖頁(yè)面，所有電源組件 （例如： 電感器、電容器和 FET） 都可以從內置的庫中選擇，只需點(diǎn)擊鼠標即可。截至本文撰寫(xiě)時(shí)為止，庫中已包含由很多廣受歡迎的廠(chǎng)商提供超過(guò) 5，000 種組件，而且還會(huì )經(jīng)常添加更多組件。用戶(hù)還可以輸入一個(gè)新組件的關(guān)鍵參數，在本地 PC 上建立自己的組件庫。

　　在這個(gè) 12VIN至 1V/20A 降壓型電源例子中，開(kāi)關(guān)頻率設定為 500kHz。因此，要在 DC IO（max）上實(shí)現 40% 峰值至峰值電感器電流紋波，那么經(jīng)計算得出的電感器值為0.23μH。從電感器庫中選出一個(gè)0.22μH/1.1mΩ的電感器。在這個(gè)例子中，電感器繞組的 DC 電阻 （DCR） 用于電流檢測。應該檢查電流檢測網(wǎng)絡(luò )的值，以恰當地設定電流檢測信號和電流限制。如果 AC 電流檢測信號太弱，程序就會(huì )發(fā)出警報，因為這有可能導致信噪比問(wèn)題，或者，如果電流限制值低于目標值，程序也會(huì )發(fā)出警報。選擇輸入電容器時(shí)，應該滿(mǎn)足 RMS 電流額定值且具備最低的傳導損耗。選擇輸出電容器時(shí)，要最大限度減小輸出電壓紋波和瞬態(tài)過(guò)沖/下沖。在稍后的環(huán)路補償和負載瞬態(tài)設計階段，這些電容器會(huì )最終確定下來(lái)。功率 MOSFET 將在下一步中選擇，以實(shí)現高效率、估算功耗并進(jìn)行優(yōu)化。

　　步驟 3━電源效率和功耗優(yōu)化

　　用戶(hù)可以點(diǎn)擊“Loss Estimation and Breakdown”選項卡，進(jìn)入下一個(gè)步驟，以?xún)?yōu)化電源效率和功耗。如圖 5 所示，用戶(hù)選定 MOSFET 并點(diǎn)擊“update”軟鍵后，程序就會(huì )給出在給定輸入電壓時(shí)電源效率和功耗隨負載電流變化的曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)可能隨著(zhù) VIN滑動(dòng)條的變化而變化。詳細的功耗數字餅圖可進(jìn)一步幫助用戶(hù)了解和調整設計參數和組件，以最大限度降低某些情況下的功耗，優(yōu)化總體效率。

　　圖 5：設計步驟 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。這包括功率 MOSFET、電感器、電容器和 IC 柵極驅動(dòng)器的功耗。不過(guò)，要獲得實(shí)時(shí)結果，器件功耗模型使用的是簡(jiǎn)化的行為模型，而不是復雜的物理模型。請注意，在LTpowerCAD中，還沒(méi)有電感器 AC 功耗的模型，但是用戶(hù)可以選擇輸入這個(gè)功耗值。因此，估計的效率有可能比實(shí)際硬件效率高幾個(gè)百分點(diǎn)。即使如此，這個(gè)工具程序仍然提供了一種實(shí)時(shí)、快速的估算方法，可幫助用戶(hù)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━反饋環(huán)路設計和瞬態(tài)優(yōu)化

　　下一步是設計電壓反饋環(huán)路以及以良好的穩定性裕度優(yōu)化負載瞬態(tài)性能。這一步常常被看作是最具挑戰性的電源設計任務(wù)之一。LTpowerCAD設計工具使這個(gè)任務(wù)變得簡(jiǎn)單和容易了。

　　圖 6 顯示了環(huán)路和瞬態(tài)設計頁(yè)面。環(huán)路增益的波德圖可以實(shí)時(shí)調節，以通過(guò)調整補償 R/C 值，實(shí)現所希望的環(huán)路帶寬和相位裕度。詳細的環(huán)路設計概念在參考資料中給出。就一個(gè)開(kāi)關(guān)模式電源轉換器而言，通常建議在交叉頻率上有超過(guò) 45 度甚至 60 度的相位裕度，在 1/2 電源開(kāi)關(guān)頻率fSW上有至少 8dB 增益衰減。頁(yè)面中有很多選項卡，其中有一個(gè)選項卡提供電源輸出阻抗圖，以向用戶(hù)提供更多環(huán)路設計細節。負載瞬態(tài)圖可供用戶(hù)定義負載步進(jìn)大小和電流轉換率。用戶(hù)可以針對給定設計“凍結曲線(xiàn)”，然后改變設計值或組件選擇，產(chǎn)生另外的設計，并在這些設計之間進(jìn)行比較，以獲得最佳結果。

　　圖 6：設計步驟 4：反饋環(huán)路和負載瞬態(tài)設計

　　就給定負載瞬態(tài)條件 （負載電流步進(jìn)大小和轉換率） 和 VOUT過(guò)沖/下沖目標限制而言，用戶(hù)可以調節環(huán)路，檢查環(huán)路帶寬、穩定性和瞬態(tài)性能。如果瞬態(tài)性能仍然不能滿(mǎn)足目標，那么用戶(hù)可以提高輸出電容器 （包括大容量電容器和陶瓷電容器），然后重新調節環(huán)路，直到滿(mǎn)足設計目標為止。既然LTpowerCAD負載瞬態(tài)圖是從小信號模型中得出的，速度非?？?，但僅是一階近似的。因此，有必要留出足夠 （20% 至 30%） 的瞬態(tài)設計裕度。

　　為了保證環(huán)路設計準確度，每個(gè) LTpowerCAD設計工具在發(fā)布之前，我們的工程師對其在凌力爾特的標準演示電路板和環(huán)路測量上進(jìn)行試驗臺驗證。不過(guò)，在用戶(hù)的設計中，設計結果可能受到組件寄生值變化的影響，例如不準確的電容器 ESR 值。因此，用戶(hù)有必要通過(guò)原型測試驗證其最終設計。

　　步驟 5━附有 BOM 和 PCB 尺寸的總結報告

　　在最后這個(gè)步驟中，用戶(hù)可以進(jìn)入總結頁(yè)面，該頁(yè)面提供設計性能總結 （圖 7） 以及簡(jiǎn)要的電源組件材料單 （BOM） 和組件總體占板面積的粗略估計?？偨Y報告也可以打印出來(lái)。

　　圖 7：設計步驟 5：總結、BOM 和設計方案尺寸

　?。蛇x） 步驟 6 ━輸出到LTspice仿真程序中

　　這個(gè)步驟是可選的，將LTpowerCAD設計結果輸出到LTspice仿真文件中，以進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，詳細檢查電源穩定狀態(tài)、瞬態(tài)波形和性能。在 LTpowerCAD原理圖頁(yè)面點(diǎn)擊LTspice軟鍵，將LTpowerCAD中的關(guān)鍵設計參數輸出到LTspice仿真電路中，就可以完成這個(gè)步驟 （圖 8）。

　　圖 8：可選的步驟 6：輸出到LTspice電路以進(jìn)行仿真

　　設計方案庫

　　LTpowerCAD 設計方案庫是一個(gè)重要功能，可幫助用戶(hù)快速獲得最終設計和很好的結果。如圖 9 所示，在主原理圖頁(yè)面，通過(guò)點(diǎn)擊“Solution Library”軟鍵，用戶(hù)可以發(fā)現很多針對特定凌力爾特產(chǎn)品的已有設計。這些設計可能是凌力爾特的標準演示電路板、數據表電路或參考設計。這些設計中很多都經(jīng)過(guò)實(shí)驗室測試和驗證，從而使用戶(hù)能夠從一個(gè)經(jīng)過(guò)驗證的已有樣例開(kāi)始新的設計。此外，用戶(hù)可以保存自己的設計，建立自己的設計方案庫，以備日后使用。

　　圖 9：已有設計方案庫為將來(lái)的設計提供了一個(gè)良好的起點(diǎn)

　　“與新發(fā)布同步”更新，安全性更高

　　LTpowerCAD II 設計工具是基于Microsoft Windows PC 的程序。用戶(hù)可以下載該程序，將其安裝在本地 PC 中。與基于 Web 的設計工具相比，LTpowerCAD可以利用強大的本地 PC之所有功能和資源，而且不會(huì )受到互聯(lián)網(wǎng)和電腦資源共享的限制，也不需要擔心數據安全性問(wèn)題。安裝完成后，用戶(hù)不需要互聯(lián)網(wǎng)連接，就可以運行程序。而且，用戶(hù)還可以定期點(diǎn)擊程序起始頁(yè)面上的“SYNC RELEASE”軟鍵，檢查程序更新，例如新工具和新功能，而無(wú)需安裝新的LTpowerCAD。

　　總結

　　LTpowerCAD 設計工具提供了一種強大、易用的方法，可通過(guò) 5 個(gè)簡(jiǎn)便的步驟為新的電源設計關(guān)鍵參數。其標準設計方案庫和用戶(hù)設計方案庫使設計師能夠利用很多已有設計。設計結果可以非常容易地輸出到LTspice中以進(jìn)行仿真，進(jìn)而詳細評估性能。LTpowerCAD還有很多更細致的功能，本文尚未提及（請查閱參考資料）?？傊?，LTpowerCAD設計工具可幫助系統工程師快速設計新的設計方案，并取得很好的結果，而且能夠最大限度減少所需工作量和時(shí)間。