淺談如何善用線(xiàn)上設計工具縮短電源設計流程

　　在產(chǎn)品生命週期日趨縮短下，系統設計工程師必須及早在系統設計時(shí)，進(jìn)行電源整合的考量，以避免造成最后階段須大幅修正。為了能夠獲得更佳的系統設計，設計工程師可藉由電源電路的線(xiàn)上設計工具，來(lái)縮短前段處理，甚至完整設計的時(shí)間。

　　市場(chǎng)的競爭壓力迫使新一代產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間越來(lái)越短，較晚進(jìn)入市場(chǎng)者，通常將喪失商機與市場(chǎng)占有率。

　　其中，負載點(diǎn)電源管理電路由于面對不斷改變的處理器單元、更小的外型、更高的效能，以及更快的運作頻率等挑戰，因此產(chǎn)品生命週期相當短，使得系統設計工程師再也不能將電源的設計與整體系統結構分開(kāi)，如果沒(méi)有及早進(jìn)行電源整合的考量，那么就可能過(guò)度消耗資源，而且必須在最后階段大幅修正產(chǎn)品設計。

　　為了獲得更好的功率密度、效率以及分散式電源架構的彈性，系統設計工程師必須同時(shí)考慮電源的電路設計，以便取得產(chǎn)品的最佳電氣效能、整合度與可靠度表現。

　　在電源電路設計上，由于新興的設計越來(lái)越復雜而且特殊化，因此對模擬工具的需求也就越來(lái)越高，在電路模擬工具推出之前，工程師必須親手進(jìn)行耗時(shí)的計算動(dòng)作，同時(shí)耗費許多時(shí)間在架構塬型設計上，還得重復比較實(shí)驗室測量值與計算結果來(lái)加以修正。因此，在面臨急迫的設計期限時(shí)，通常會(huì )迫使許多工程師使用先前的設計進(jìn)行漸進(jìn)式修改，而無(wú)法採用最新技術(shù)。

　　電源電路的線(xiàn)上設計工具可透過(guò)許多不同方法來(lái)協(xié)助電路設計工程師完成專(zhuān)案，部分工具的目標是透過(guò)比較與選擇晶片與拓樸結構，來(lái)縮短前段處理，另外一些則提供已經(jīng)設計好電路圖的模擬支援。理想上，支援設計工程師進(jìn)行設計的工具應該要涵蓋整個(gè)設計週期。

　　完整解決方案趨于主流

　　半導體業(yè)者已開(kāi)始採用以解決方案為主的方式，來(lái)簡(jiǎn)化并加速低耗電系統的電源管理電路設計。以國際整流器公司（IR）的myPOWER線(xiàn)上設計中心為例（圖 1），其包含一系列功率半導體、被動(dòng)元件與針對特定功率等級的電感器，并以最佳化電路板布局安排，提供可預測電氣與溫度效能等經(jīng)過(guò)完整測試與特性分類(lèi)的參考設計。和常見(jiàn)的模擬電路板不同，這些參考設計都儘可能地反應實(shí)際電路的情況，提供如電路板布局、溫度設計，以及元件搭配最佳化等復雜問(wèn)題的有效解答。

　　使用設計工程師輸入的運作參數、溫度情況與功能要求，這項設計工具能計算出電路耗損，并提供電路板布局、氣流安排與環(huán)境溫度，精確估算關(guān)鍵元件的接面溫度。這一系列的計算動(dòng)作會(huì )在資料庫中合適的參考設計上重復執行，以便找出最佳設計，并提供包括計算所得效率、接面溫度、電路板布局安排與材料清單 （BOM）成本等，如此設計工程師就可以進(jìn)行所有資料的比對，并取得符合設計目標的最佳解決方案選擇。

　　每個(gè)參考設計都搭配全套線(xiàn)上模擬工具，模擬能力包含小訊號與大訊號分析、切換波形以及所有零組件的效能分析，提供給設計工程師搭配內含製造商元件編號與預估價(jià)格完整材料清單的完整電路圖，這個(gè)電路圖具備有互動(dòng)功能，并配備有可以讓工程師依需要調整設計的各種不同替代零件資料庫。

　　這項模擬功能能夠在訂購塬型功能展示電路板前驗證零件應力、零件值與電路連線(xiàn)，以便節省開(kāi)發(fā)時(shí)間，所有數值都可以在幾秒鐘內加以改變，并重新進(jìn)行評估，而非更換元件并重新焊接，因而得以節省大量時(shí)間。

　　在進(jìn)行標準參考設計的客製化時(shí)，使用者可調整系統級輸入，來(lái)對一些主要的效能條件，例如電氣效率、電源耗損、接面溫度、尺寸大小與材料清單成本等進(jìn)行取捨。完成后，整個(gè)電路可以立即重新進(jìn)行模擬，為設計工程師免除更換零件的成本與時(shí)間，帶來(lái)進(jìn)行大量設計修改的自由度。在設計工程師驗證了所選用的參考設計是否符合需求后，便可進(jìn)行效能測試，并確認整個(gè)設計可以運作，同時(shí)所測量的結果也能夠符合線(xiàn)上工具提供的計算值（圖2）。

　　以國際整流器公司的設計支援團隊為例，即採用以解決方案為主的方式，提供符合線(xiàn)上使用者客製化要求的參考設計電路板，每個(gè)客製化電路板都經(jīng)過(guò)針對規格的測試，并能產(chǎn)生可以直接運用到嵌入式應用的設計檔案。這些經(jīng)過(guò)測試的客製化參考設計套件，將會(huì )針對線(xiàn)上所得的結果進(jìn)行驗證，讓使用者可開(kāi)始進(jìn)行系統層級的效能測試。

　　電路設計自動(dòng)化

　　許多針對特定應用所設計的晶片在採用其他被動(dòng)與主動(dòng)式元件時(shí)，在設計上都是依循資料規格書(shū)的大量應用註記。雖然文件中包含的專(zhuān)業(yè)知識對工程師來(lái)說(shuō)具有相當參考價(jià)值，但還是得花上幾個(gè)小時(shí)，甚至數天的時(shí)間來(lái)完成所有的計算，并將計算結果與可用元件進(jìn)行匹配。這個(gè)耗時(shí)煩人的工作，可能成為採用新拓樸結構技術(shù)的一個(gè)重要障礙，同時(shí)學(xué)習曲線(xiàn)也較長(cháng)。因此在這類(lèi)線(xiàn)路設計上，一項可以執行所有必要運算的線(xiàn)上設計工具，將有助于節省大幅時(shí)間。

　　舉例而言，國際整流器公司的單週期控制功率因數校正（PFC）設計工具，是以基礎的電路圖為開(kāi)端，接著(zhù)讓設計工程師指定用來(lái)計算被動(dòng)元件值的輸入與輸出參數，將手動(dòng)計算所須耗費的數個(gè)小時(shí)縮短到幾秒鐘，并且能夠讓設計工程師快速分析波形，以及針對個(gè)人需求進(jìn)行設計最佳化工作。

　　自動(dòng)化分析的結果包含完整的材料清單（圖3），以及描述電路效能的輸出情況列表，這項工具同時(shí)也可以產(chǎn)生顯示交流電源諧振失真、輸出漣波電壓、整體迴路響應與誤差放大器響應的圖形（圖4），所有資料都以PDF檔提供，以方便設計工程師整合到個(gè)人的設計筆記本中。

　　在最佳情況下，這類(lèi)線(xiàn)上工具可提供高密度、低成本PFC控制電路相關(guān)資訊，協(xié)助設計工程師直接取代現有電源、更換舊式連續導通模式PFC電路，而不須耗費太多寶貴時(shí)間在重復效能測試上。

　　節省時(shí)間 創(chuàng )造更大效益

　　直接引用經(jīng)過(guò)驗證的設計，是設計工程師進(jìn)行新系統電源電路設計時(shí)最簡(jiǎn)單的方法。不幸的是，舊式電源設計可能無(wú)法符合新系統的需求，同時(shí)也阻礙了採用較新且經(jīng)過(guò)改善的晶片與可以提升效能的切換開(kāi)關(guān)。

　　當然，工程師也可以透過(guò)架構塬型機進(jìn)行重復測試程序等舊方法來(lái)產(chǎn)生新設計，但這對專(zhuān)長(cháng)于數位領(lǐng)域的系統設計工程師來(lái)說(shuō)，卻不是簡(jiǎn)單的工作，而且工程師們也沒(méi)有額外的時(shí)間。

　　模擬是讓設計工程師不須真正架構塬型機，而能夠找出并修正問(wèn)題的良好方式，同時(shí)可以加速設計流程。不過(guò)，良好的模擬程式卻相當昂貴，而且須準備良好的電路模型，對不熟悉軟體或電路的工程師而言也相當耗時(shí)。然而，塬型機的製作還是有其存在的必要，因為大部分模擬結果的精確度，還不足以與良好的設計匹敵。

　　設計工具與網(wǎng)際網(wǎng)路的結合，加速了電路設計與塬型機製作，近年由于電子設計在復雜度與成本上都越來(lái)越高，因此對模擬工具的需求也日益迫切，今日的設計工程師必須儘可能使用最新技術(shù)，來(lái)設計出尺寸更小且更有效率的電源轉換裝置。線(xiàn)上模擬與供貨系統工具軟體不僅有助于節省時(shí)間，同時(shí)也能確保具備有可運行塬型機與相關(guān)支援測試資料的穩固設計，透過(guò)高速模擬、成熟的設計平臺以及完全組裝且經(jīng)過(guò)測試的參考設計電路板，設計工程師將可在整個(gè)開(kāi)發(fā)流程的早期，取得有效的端對端設計解決方案。