電源工程師設計全攻略（五）：電源設計工具

　　1、SIMetrix/SIMPLIS

　　SIMetrix/SIMPLIS美國Transim公司開(kāi)發(fā)的軟件包。它包含兩個(gè)仿真內核－SIMetrix和SIMPLIS，共用一個(gè)原理圖編輯界面，界面簡(jiǎn)單，相對更容易掌握。其中SIMetrix是在SPICE和XSPICE基礎上開(kāi)發(fā)出來(lái)的混合信號電路仿真器，它和其他SPICE類(lèi)仿真軟件類(lèi)似，可以精確分析電路元件工作的暫態(tài)過(guò)程。SIMPLIS是以狀態(tài)空間法為基礎的仿真內核，它的元器件采用分段線(xiàn)性的建模方式，運算效率很高，仿真速度是一般SPICE類(lèi)仿真軟件的10到50倍。并可以直接進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源的小信號分析。適合于電源系統分析，設計和優(yōu)化。

SIMetrix設計界面

　　SIMetrix SPICE本質(zhì)上和PSpice等仿真軟件相似，此外還它還提供了豐富的分析模式，以AC分析為例，標準SPICE只能進(jìn)行頻率掃描，SIMetrix SPICE可以提供5種掃描模式。例如通過(guò)對固定頻率下的放大器直流輸入電壓掃描，查看輸入偏置及其增益的關(guān)系曲線(xiàn)，或進(jìn)行放大器源電阻噪聲掃描分析給出優(yōu)化值等等。同時(shí)可對電路做蒙特卡羅等分析，優(yōu)化電路性能。

　　SIMPLIS是“Simulation For Piecewise Linear System”首字母縮寫(xiě)詞。專(zhuān)門(mén)為開(kāi)關(guān)電源系統的快速建模仿真而設計。SIMPLIS對非線(xiàn)性器件采用分段線(xiàn)性建模，將一個(gè)完整的系統定義為線(xiàn)性電路拓撲的循環(huán)序列，以描述開(kāi)關(guān)電源系統中半導體器件的開(kāi)關(guān)特性。因此可以取得很高的速度，同樣硬件配置下，其仿真速度比SPICE類(lèi)軟件快10到50倍，這一特點(diǎn)是SIMPLIS在工程應用中尤其是電源行業(yè)里與其他仿真軟件競爭的優(yōu)勢所在。其缺點(diǎn)在于分段線(xiàn)性模型沒(méi)有利用非線(xiàn)性方程描述的SPICE模型精確，因此在模擬實(shí)際電路波形方面，如開(kāi)關(guān)電流，電壓尖刺等開(kāi)關(guān)暫態(tài)過(guò)程可借助SIMetrix。 SIMPLIS具有兩種獨有的分析模式，POP（Period Operating Point）分析和AC分析。POP分析是一種快速確定開(kāi)關(guān)電源穩態(tài)工作點(diǎn)的算法。在這種分析模式下，電路無(wú)需進(jìn)行較長(cháng)時(shí)間電路啟動(dòng)瞬態(tài)仿真，就可快速確定開(kāi)關(guān)系統的穩態(tài)工作點(diǎn)。它比通常意義上的瞬態(tài)仿真快100倍以上。大幅縮短了仿真時(shí)間。 SIMPLIS另一個(gè)非常突出的特點(diǎn)是可直接對開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行小信號分析。我們知道傳統的靜態(tài)頻率掃描方法并不適用于開(kāi)關(guān)電路。通常設計人員需要再次解析開(kāi)關(guān)電源的狀態(tài)方程建立平均模型，建模難度較大，要求工程設計人員具備較好的拓撲分析和控制理論基礎。SIMPLIS的AC分析不需要獲得平均模型即可得到頻域響應，它模擬真實(shí)硬件電路的掃頻測量方法。在創(chuàng )建好的原理圖中加入AC擾動(dòng)源即可進(jìn)行小信號分析。其分析過(guò)程可簡(jiǎn)單描述為首先開(kāi)始POP分析，計算出系統的穩態(tài)工作點(diǎn)，然后進(jìn)行小信號掃描，得出所需頻域曲線(xiàn)。

　　2、PI Expert Suite

　　PI Expert 是PI公司推出的一款用于單片開(kāi)關(guān)電源的計算機輔助設計軟件，也稱(chēng)為PI Expert專(zhuān)家系統，目前的版本是9.0。它能根據設計人員的要求，在輸入了一系列技術(shù)指標以后，自動(dòng)生成電路拓撲、設計結果、材料清單、PCB布局、變壓器參數和結構等。在1-5分鐘內，就可以完成一款單片開(kāi)關(guān)電源的設計工作。目前支持的單片IC有以下六大類(lèi)：

　　TOPSwitch-GX PeakSwitch TinySwitch-II TinySwitch-III DPA-Switch

　　LinkSwitch-II PI Expert Suite 9.0。新版軟件現在增加了對其LinkSwitch™-PL和LinkSwitch-PH LED驅動(dòng)器IC以及近期推出的TinySwitch™-4離線(xiàn)式開(kāi)關(guān)IC產(chǎn)品系列的設計支持。V9.0還附帶一款增強的電路原理圖處理工具，借助這個(gè)工具，設計師可將自動(dòng)生成的電路原理布局圖所創(chuàng )建的最終BOM上傳至選定、可滿(mǎn)足設計需求的領(lǐng)先分銷(xiāo)商。

　　PI Expert：是自動(dòng)化的圖形用戶(hù)界面（GUI）程序，它可以根據用戶(hù)的電源規格參數，自動(dòng)生成圍繞Power Integrations某一IC產(chǎn)品系列的電源轉換方案。PI Expert可提供構建和測試工作原型所需的所有必要信息。這些信息包括完整的交互式電路原理圖、物料清單（BOM）、電路板布局建議以及詳細的電氣參數表。PI Expert還可提供完整的變壓器設計，包括磁芯尺寸、線(xiàn)圈圈數、適當的線(xiàn)材規格以及每個(gè)繞組所用的并繞線(xiàn)數。此外，還可生成詳細的繞組機械裝配說(shuō)明。該程序可以將設計時(shí)間從數天縮短至幾分鐘。

　　· PI Xls Designer：PI Xls Designer是基于設計表格的應用程序，能讓電源設計師在設計過(guò)程中獲得更多的控制。同時(shí)，也提供包括詳細的繞組機械裝配說(shuō)明在內的變壓器構建支持。 PI Xls Designer根據您提供的有關(guān)輸入、輸出以及其他所有必需的設計規格來(lái)執行所有必要的計算，以設計和評估采用Power Integrations的IC的電源轉換方案。

　　3、webench

　　自從德州儀器于1999年推出 WEBENCH 網(wǎng)上設計工具后，設計工程人員便可在數分鐘內于網(wǎng)上創(chuàng )建出可靠的電源供電電路，用戶(hù)只要輸入所要求的電路性能， WEBENCH 工具套件便可完成設計。今天，WEBENCH 設計工具可以在數秒間創(chuàng )建和展示出所有符合設計要求的可行方案，包括電源供應器、照明系統和傳感電路等，讓用戶(hù)可在決定設計方案前，從系統和供應鏈的角度比較來(lái)自不同設計的數值，而這種專(zhuān)業(yè)的分析工具在業(yè)內可說(shuō)是唯一的。

　　所有這些設計工具都可通過(guò) WEBENCH Visualizer 接口提供出多個(gè)不同的完整系統選擇 （一目了然的數值比較?。?，而設計工程人員只需調校 WEBENCH 優(yōu)化旋鈕便可從大小、效率和系統成本的角度調整結果。。

　　WEBENCH 設計工具中的經(jīng)濟效益系統（Eco-System 是促成這種數值式比較的關(guān)鍵，當中包含超過(guò) 110 個(gè)不同的組件供貨商和電子零件分銷(xiāo)商，該 Eco-System 可提供超過(guò) 21.000 款組件的電氣和物理特性，而且其網(wǎng)上價(jià)格和供貨數據可每小時(shí)更新。目前，WEBENCH 設計工具可支持簡(jiǎn)體中文、日文和英文三種語(yǔ)言。

　　采用 WEBENCH 設計工具，您只需進(jìn)行幾個(gè)步驟便可在數分鐘內創(chuàng )建一個(gè)設計：

　　定義系統的性能要求，包括光輸出、傳感器精確度或電壓和電流

　　選擇您偏愛(ài)的 FPGA、LED 或組件供貨商

　　在可視熒幕上從大小、成本、效率和簡(jiǎn)易度檢討最后得出來(lái)的完整解決方案

　　分析和調整最后得出來(lái)的拓撲和組件供貨商

　　打印項目或設計報告或訂購短時(shí)間付運的完整建模 （Build It） 套件

　　今天決定設計，明天進(jìn)行組裝

　　>配合超過(guò)150萬(wàn)個(gè)成功設計，使 WEBENCH 設計工具的創(chuàng )意無(wú)限。

　　4、SwitcherPro

　　SwitcherPro 軟件為您提供電源設計的電路圖和布局建議。一旦您運行了軟件，您便會(huì )注意到窗口左側的 EVM 設計選項。例如，您會(huì )在給出的列表中找到 TPS54331 EVM。圖 1 顯示了 DC/DC 轉換器 TPS54331 的 SwitcherPro 布局建議。圖 1 和圖 2 所示布局都經(jīng)過(guò)了測試和驗證。

　　圖 1 SwitcherPro 軟件給出的 TPS54331 布局

　　SwitcherPro 工具還為您提供了修改電路要求的機會(huì )，甚至可以修改示意圖中的組件。通過(guò)復制 EVM 設計，然后選擇編輯電路選項，便可以進(jìn)行修改。這樣一來(lái)，您就可以修改 DC/DC 轉換器的輸入最小值和最大值，也可以修改輸出電壓和電流要求。軟件還具有一般分析、應力分析、效率分析和回路分析功能，方便您評估電路。

　　為了完成設計，您需要返回到您的評估模塊，按照 SwitcherPro 的建議修改各項值，然后對您的新電路進(jìn)行測試和驗證。最后，如果您是在線(xiàn)工作，便可以輕松地同其它人分享您的設計。

　　圖 2 SwitcherPro 軟件給出的 TSP54331 電路

　　您現在一定可以說(shuō)：“我能自己進(jìn)行這種電源設計了！”，的確，經(jīng)銷(xiāo)商會(huì )告訴您如何獲得正確的軟件工具。這樣，您的電源設計就在您自己的掌控之下了。

　　——下期《電源工程師設計全攻略（六）：電源設計中的EMC及安全防范》 精彩搶先看：1、電源設計中電磁干擾的來(lái)源；2、消除或減弱電源電路中電磁干擾的方法。

　　不日上線(xiàn)，敬請期待！