五個簡便步驟設計開關模式電源關鍵參數(shù)

在如今的系統(tǒng)電路板上，電壓軌及電源數(shù)量越來越多。對于先進的電源設計方案而言，尺寸、效率、熱性能和瞬態(tài)性能都是至關重要的，那么為特定應用設計定制的內(nèi)置電源設計方案，而不是使用商用電源磚，效率會更高，也會有更佳的成本效益。對系統(tǒng)工程師而言，設計和優(yōu)化開關模式電源已變得越來越常見，而且也成了必要的任務。不幸的是，這種任務常常耗費大量時間，技術上也很有挑戰(zhàn)性。

為了簡化這種設計任務，提高設計質量和生產(chǎn)率，凌力爾特公司的電源應用專家開發(fā)了電源設計和優(yōu)化工具LTpowerCAD程序。本文介紹了怎樣通過幾個簡便的步驟，進行開關模式電源關鍵參數(shù)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間

要設計和優(yōu)化一個內(nèi)置電源，傳統(tǒng)的“紙上設計”方法可能非常難，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，同時確保組件的熱量負擔是可接受的。到這里還沒完，環(huán)路補償設計是另一個富有挑戰(zhàn)性的任務，因為完成這種任務需要復雜的電路模型和 IC 數(shù)據(jù)表不提供的參數(shù)值。最后，畫出原理圖，并將原型PCB 電路板送去生產(chǎn)?，F(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)驗不足的電源設計師而言，上述設計流程是很有挑戰(zhàn)性的。即使是經(jīng)驗豐富的電源設計師，傳統(tǒng)的“紙上設計”方法和實驗及排錯方法也是很難的，且要耗費大量時間，結果也不夠準確，往往得不到最佳結果。它可能需要數(shù)小時，數(shù)天或甚至更長的時間。

LTpowerCAD設計工具簡化設計任務

為了幫助用戶節(jié)省時間、減少工作量并實現(xiàn)高質量設計方案，凌力爾特公司的電源應用專家開發(fā)了LTpowerCAD設計工具。這款設計工具提供了一種系統(tǒng)化和簡便的方法，可通過 5 個簡便的步驟設計關鍵的電源參數(shù)：(1) 輸入電源規(guī)格參數(shù)，選擇一個設計方案;(2) 在自動提示信息的幫助下優(yōu)化電源級參數(shù);(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(shù)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 5 個簡便的步驟設計電源

有很多已有設計實例，包括凌力爾特在LTpowerCAD設計方案庫中的演示電路板和數(shù)據(jù)表電路。用戶還可以用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設計方案，為未來的電源設計快速找到一個起點。此外，LTpowerCAD設計還可以作為LTspice?仿真電路輸出，以檢查時間域電源波形和瞬態(tài)性能。

憑借這些強大的工具，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量電源電路設計，且獲得很好的結果。產(chǎn)生第一個原型電路板的時間大大減少了。

LTpowerCAD設計步驟和例子

下面我們用一個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內(nèi)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

第一步是搜索關鍵電源 IC 或微型模塊，這是設計方案的核心?？梢砸揽窟^去的經(jīng)驗選擇 IC 或微型模塊 (μModule?)，也可以進入LTpowerCAD設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，LTpowerCAD設計工具可用于該器件。綠色“Excel”符號意味著，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，則意味著該器件還沒有適用的設計工具。

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

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，用戶通常需要從開關頻率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，設計工具打開后，顯示主原理圖頁面，在關鍵組件旁邊是設計參數(shù)值。在這個頁面上，設計參數(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。藍色表明，單元格中的值是用戶的設計選擇。用戶可以直接存取和編輯這些值。

圖 3：設計步驟 2：電源級設計頁面，提供原理圖和關鍵參數(shù)值

對于關鍵電路參數(shù) (例如: 電感器紋波電流)，程序為每個器件提供了內(nèi)置限制。如圖 4 所示，如果用戶設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，以此提醒和指導用戶檢查該值并調整設計。內(nèi)置的限制/警報門限值是應用專家針對相關產(chǎn)品設定的建議值。有必要提到的一點是，因為這是模擬設計方案，那么有時即使有警報，設計也是可接受的，只要用戶了解他們并確信與所選擇的設計值。

圖 4：自動發(fā)出的警報指導用戶選擇恰當?shù)脑O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)置的庫中選擇，只需點擊鼠標即可。截至本文撰寫時為止，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)常添加更多組件。用戶還可以輸入一個新組件的關鍵參數(shù)，在本地 PC 上建立自己的組件庫。

在這個 12VIN至 1V/20A 降壓型電源例子中，開關頻率設定為 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。應該檢查電流檢測網(wǎng)絡的值，以恰當?shù)卦O定電流檢測信號和電流限制。如果 AC 電流檢測信號太弱，程序就會發(fā)出警報，因為這有可能導致信噪比問題，或者，如果電流限制值低于目標值，程序也會發(fā)出警報。選擇輸入電容器時，應該滿足 RMS 電流額定值且具備最低的傳導損耗。選擇輸出電容器時，要最大限度減小輸出電壓紋波和瞬態(tài)過沖/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，程序就會給出在給定輸入電壓時電源效率和功耗隨負載電流變化的曲線，該曲線可能隨著 VIN滑動條的變化而變化。詳細的功耗數(shù)字餅圖可進一步幫助用戶了解和調整設計參數(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 柵極驅動器的功耗。不過，要獲得實時結果，器件功耗模型使用的是簡化的行為模型，而不是復雜的物理模型。請注意，在LTpowerCAD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━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(wěn)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(zhàn)性的電源設計任務之一。LTpowerCAD設計工具使這個任務變得簡單和容易了。

圖 6 顯示了環(huán)路和瞬態(tài)設計頁面。環(huán)路增益的波德圖可以實時調節(jié)，以通過調整補償 R/C 值，實現(xiàn)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。就一個開關模式電源轉換器而言，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，以向用戶提供更多環(huán)路設計細節(jié)。負載瞬態(tài)圖可供用戶定義負載步進大小和電流轉換率。用戶可以針對給定設計“凍結曲線”，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 (負載電流步進大小和轉換率) 和 VOUT過沖/下沖目標限制而言，用戶可以調節(jié)環(huán)路，檢查環(huán)路帶寬、穩(wěn)定性和瞬態(tài)性能。如果瞬態(tài)性能仍然不能滿足目標，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)，然后重新調節(jié)環(huán)路，直到滿足設計目標為止。既然LTpowerCAD負載瞬態(tài)圖是從小信號模型中得出的，速度非常快，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)路測量上進行試驗臺驗證。不過，在用戶的設計中，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，用戶有必要通過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

在最后這個步驟中，用戶可以進入總結頁面，該頁面提供設計性能總結 (圖 7) 以及簡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。

圖 7：設計步驟 5：總結、BOM 和設計方案尺寸

(可選) 步驟 6 ━輸出到LTspice仿真程序中

這個步驟是可選的，將LTpowerCAD設計結果輸出到LTspice仿真文件中，以進行實時仿真，詳細檢查電源穩(wěn)定狀態(tài)、瞬態(tài)波形和性能。在LTpowerCAD原理圖頁面點擊LTspice軟鍵，將LTpowerCAD中的關鍵設計參數(shù)輸出到LTspice仿真電路中，就可以完成這個步驟 (圖 8)。

圖 8：可選的步驟 6：輸出到LTspice電路以進行仿真

設計方案庫

LTpowerCAD設計方案庫是一個重要功能，可幫助用戶快速獲得最終設計和很好的結果。如圖 9 所示，在主原理圖頁面，通過點擊“Solution Library”軟鍵，用戶可以發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)表電路或參考設計。這些設計中很多都經(jīng)過實驗室測試和驗證，從而使用戶能夠從一個經(jīng)過驗證的已有樣例開始新的設計。此外，用戶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的設計提供了一個良好的起點

“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，而且不會受到互聯(lián)網(wǎng)和電腦資源共享的限制，也不需要擔心數(shù)據(jù)安全性問題。安裝完成后，用戶不需要互聯(lián)網(wǎng)連接，就可以運行程序。而且，用戶還可以定期點擊程序起始頁面上的“SYNC RELEASE”軟鍵，檢查程序更新，例如新工具和新功能，而無需安裝新的LTpowerCAD。

總結

LTpowerCAD設計工具提供了一種強大、易用的方法，可通過 5 個簡便的步驟為新的電源設計關鍵參數(shù)。其標準設計方案庫和用戶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中以進行仿真，進而詳細評估性能。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琇TpowerCAD設計工具可幫助系統(tǒng)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間。