在如今的系統(tǒng)電路板上，電壓軌及電源數(shù)量越來(lái)越多。關(guān)于先進(jìn)的電源設(shè)計(jì)方法而言，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(yīng)用設(shè)計(jì)定制的內(nèi)置電源設(shè)計(jì)方法，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(duì)系統(tǒng)工程師而言，設(shè)計(jì)和優(yōu)化開關(guān)模式電源已變得越來(lái)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(fèi)大量時(shí)間，技術(shù)上也很有挑戰(zhàn)性。

為了簡(jiǎn)化這種設(shè)計(jì)任務(wù)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和生產(chǎn)率，凌力爾特公司的電源應(yīng)用專家開發(fā)了電源設(shè)計(jì)和優(yōu)化工具LTpowerCAD程序。本文介紹了怎么樣通過(guò)幾個(gè)簡(jiǎn)便的步驟，進(jìn)行開關(guān)模式電源關(guān)鍵參數(shù)的紙上設(shè)計(jì)，并得到很好的設(shè)計(jì)結(jié)果。

紙上設(shè)計(jì)可能非常難且耗費(fèi)大量時(shí)間

要設(shè)計(jì)和優(yōu)化一個(gè)內(nèi)置電源，傳統(tǒng)的紙上設(shè)計(jì)方法可能非常難，且耗費(fèi)大量時(shí)間。在含義完電源性能規(guī)格后，工程師首先要選擇轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌缬糜诮祲簯?yīng)用的降壓型轉(zhuǎn)換器，或用于升壓應(yīng)用的升壓型轉(zhuǎn)換器。其次，工程師要選擇電源管理IC，選擇時(shí)或者基于過(guò)去的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，或者在網(wǎng)上搜索可用工具。然后，工程師要基于自己的知識(shí)或廠商在數(shù)據(jù)表中所供應(yīng)的公式來(lái)計(jì)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(jì)電源效率和功耗，同時(shí)確保組件的熱量負(fù)擔(dān)是可接受的。到這里還沒完，環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)是另一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，因?yàn)橥瓿蛇@種任務(wù)要復(fù)雜的電路模型和IC數(shù)據(jù)表不供應(yīng)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(shí)候了，在這一步，工程師要確保沒有振蕩輸出或過(guò)熱問題。關(guān)于一位相關(guān)經(jīng)驗(yàn)不足的電源設(shè)計(jì)師而言，上述設(shè)計(jì)流程是很有挑戰(zhàn)性的。即使是相關(guān)經(jīng)驗(yàn)豐富的電源設(shè)計(jì)師，傳統(tǒng)的紙上設(shè)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)及排錯(cuò)方法也是很難的，且要耗費(fèi)大量時(shí)間，結(jié)果也不夠準(zhǔn)確，往往得不到最佳結(jié)果。它可能要數(shù)小時(shí)，數(shù)天或甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。

LTpowerCAD設(shè)計(jì)工具簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)任務(wù)

為了幫助用戶節(jié)省時(shí)間、減少工作量并實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量設(shè)計(jì)方法，凌力爾特公司的電源應(yīng)用專家開發(fā)了LTpowerCAD設(shè)計(jì)工具。這款設(shè)計(jì)工具供應(yīng)了一種系統(tǒng)化和簡(jiǎn)便的方法，可通過(guò)5個(gè)簡(jiǎn)便的步驟設(shè)計(jì)關(guān)鍵的電源參數(shù)：(1)輸入電源規(guī)格參數(shù)，選擇一個(gè)設(shè)計(jì)方法;(2)在自動(dòng)提示信息的幫助下優(yōu)化電源級(jí)參數(shù);(3)優(yōu)化電源效率和功耗;(4)設(shè)計(jì)環(huán)路補(bǔ)償和優(yōu)化負(fù)載瞬態(tài);(5)出現(xiàn)附有BOM和pCB尺寸估計(jì)數(shù)字的總結(jié)報(bào)告。圖1顯示了使用LTpowerCAD設(shè)計(jì)工具的設(shè)計(jì)流程。

圖1：采用LTpowerCAD設(shè)計(jì)工具，通過(guò)5個(gè)簡(jiǎn)便的步驟設(shè)計(jì)電源

有很多已有設(shè)計(jì)實(shí)例，包括凌力爾特在LTpowerCAD設(shè)計(jì)方法庫(kù)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(shè)計(jì)，以建立自己的設(shè)計(jì)方法庫(kù)。工程師可以使用這類設(shè)計(jì)方法，為未來(lái)的電源設(shè)計(jì)快速找到一個(gè)起點(diǎn)。此外，LTpowerCAD設(shè)計(jì)還可以作為L(zhǎng)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(qiáng)大的工具，系統(tǒng)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(shè)計(jì)，且獲得很好的結(jié)果。出現(xiàn)第一個(gè)原型電路板的時(shí)間大大減少了。

LTpowerCAD設(shè)計(jì)步驟和例子

下面我們用一個(gè)LTpowerCAD設(shè)計(jì)例子詳細(xì)介紹一下這些設(shè)計(jì)步驟。例如，一位工程師要設(shè)計(jì)一個(gè)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(gè)典型的同步降壓型轉(zhuǎn)換器。

步驟1━搜索電源產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法

第一步是搜索關(guān)鍵電源IC或微型模塊，這是設(shè)計(jì)方法的核心。可以依靠過(guò)去的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)選擇IC或微型模塊(Module?)，也可以進(jìn)入LTpowerCAD設(shè)計(jì)方法搜索頁(yè)面尋找。如圖2所示，在LTpowerCAD搜素頁(yè)面，用戶可以輸入電源規(guī)格參數(shù)，選擇可選功能，然后點(diǎn)擊搜索軟鍵。之后，從該程序供應(yīng)的列表中選出想要的器件。

圖2：設(shè)計(jì)步驟1：搜索電源設(shè)計(jì)方法

在圖2中，程序供應(yīng)的IC設(shè)計(jì)方法列表的最左邊，是紅色的LT符號(hào)或綠色的Excel符號(hào)。紅色LT符號(hào)意味著，LTpowerCAD設(shè)計(jì)工具可用于該器件。綠色Excel符號(hào)意味著，基于MicrosoftExcel電子表格的設(shè)計(jì)工具可用。假如這兩種符號(hào)均為灰色，則意味著該器件還沒有適用的設(shè)計(jì)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(hào)，就可以打開其設(shè)計(jì)工具。

步驟2━電源級(jí)設(shè)計(jì)

第二步是設(shè)計(jì)和選擇電源級(jí)組件，例如功率電感器、輸入和輸出電容器、電流檢測(cè)組件、以及功率MOSFET。設(shè)計(jì)電源時(shí)，用戶通常要從開關(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(jìn)行選擇/優(yōu)化。

如圖3所示，設(shè)計(jì)工具打開后，顯示主原理圖頁(yè)面，在關(guān)鍵組件旁邊是設(shè)計(jì)參數(shù)值。在這個(gè)頁(yè)面上，設(shè)計(jì)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(lái)自設(shè)計(jì)規(guī)格，或者是由LTpowerCAD工具計(jì)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(jì)選擇。用戶可以直接存取和編輯這些值。

圖3：設(shè)計(jì)步驟2：電源級(jí)設(shè)計(jì)頁(yè)面，供應(yīng)原理圖和關(guān)鍵參數(shù)值

關(guān)于關(guān)鍵電路參數(shù)(例如:電感器紋波電流)，程序?yàn)槊總€(gè)器件供應(yīng)了內(nèi)置限制。如圖4所示，假如用戶設(shè)計(jì)的值超出了該限制，那么程序就自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，用橘黃單元格顏色顯示較弱的軟警報(bào)，或者用紅色單元格顏色顯示較強(qiáng)的硬警報(bào)，以此提醒和指導(dǎo)用戶檢查該值并調(diào)整設(shè)計(jì)。內(nèi)置的限制/警報(bào)門限值是應(yīng)用專家針對(duì)相關(guān)產(chǎn)品設(shè)定的建議值。有必要提到的一點(diǎn)是，因?yàn)檫@是模擬設(shè)計(jì)方法，那么有時(shí)即使有警報(bào)，設(shè)計(jì)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(jì)值。

圖4：自動(dòng)發(fā)出的警報(bào)指導(dǎo)用戶選擇恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)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(nèi)置的庫(kù)中選擇，只需點(diǎn)擊鼠標(biāo)即可。截至本文撰寫時(shí)為止，庫(kù)中已包含由很多廣受歡迎的廠商供應(yīng)超過(guò)5,000種組件，而且還會(huì)經(jīng)常添加更多組件。用戶還可以輸入一個(gè)新組件的關(guān)鍵參數(shù)，在本地pC上建立自己的組件庫(kù)。

在這個(gè)12VIN至1V/20A降壓型電源例子中，開關(guān)頻率設(shè)定為500kHz。因此，要在DCIO(max)上實(shí)現(xiàn)40%峰值至峰值電感器電流紋波，那么經(jīng)計(jì)算得出的電感器值為0.23H。從電感器庫(kù)中選出一個(gè)0.22H/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(cè)。應(yīng)該檢查電流檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的值，以恰當(dāng)?shù)卦O(shè)定電流檢測(cè)信號(hào)和電流限制。假如AC電流檢測(cè)信號(hào)太弱，程序就會(huì)發(fā)出警報(bào)，因?yàn)檫@有可能導(dǎo)致信噪比問題，或者，假如電流限制值低于目標(biāo)值，程序也會(huì)發(fā)出警報(bào)。選擇輸入電容器時(shí)，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(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(bǔ)償和負(fù)載瞬態(tài)設(shè)計(jì)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(xiàn)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

用戶可以點(diǎn)擊LossEstimationandBreakdown選項(xiàng)卡，進(jìn)入下一個(gè)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(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(fù)載電流變化的曲線，該曲線可能隨著VIN滑動(dòng)條的變化而變化。詳細(xì)的功耗數(shù)字餅圖可進(jìn)一步幫助用戶了解和調(diào)整設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)器的功耗。不過(guò)，要獲得實(shí)時(shí)結(jié)果，器件功耗模型使用的是簡(jiǎn)化的行為模型，而不是復(fù)雜的物理模型。請(qǐng)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(gè)功耗值。因此，估計(jì)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)工具程序仍然供應(yīng)了一種實(shí)時(shí)、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(shè)計(jì)和瞬態(tài)優(yōu)化

下一步是設(shè)計(jì)電壓反饋環(huán)路以及以良好的穩(wěn)定性裕度優(yōu)化負(fù)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(shè)計(jì)任務(wù)之一。LTpowerCAD設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)頁(yè)面。環(huán)路增益的波德圖可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，以通過(guò)調(diào)整補(bǔ)償R/C值，實(shí)現(xiàn)所希望的環(huán)路帶寬和相位裕度。詳細(xì)的環(huán)路設(shè)計(jì)概念在參考資料中給出。就一個(gè)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(guò)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(yè)面中有很多選項(xiàng)卡，其中有一個(gè)選項(xiàng)卡供應(yīng)電源輸出阻抗圖，以向用戶供應(yīng)更多環(huán)路設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。負(fù)載瞬態(tài)圖可供用戶含義負(fù)載步進(jìn)大小和電流轉(zhuǎn)換率。用戶可以針對(duì)給定設(shè)計(jì)凍結(jié)曲線，然后改變?cè)O(shè)計(jì)值或組件選擇，出現(xiàn)另外的設(shè)計(jì)，并在這些設(shè)計(jì)之間進(jìn)行比較，以獲得最佳結(jié)果。

圖6：設(shè)計(jì)步驟4：反饋環(huán)路和負(fù)載瞬態(tài)設(shè)計(jì)

就給定負(fù)載瞬態(tài)條件(負(fù)載電流步進(jìn)大小和轉(zhuǎn)換率)和VOUT過(guò)沖/下沖目標(biāo)限制而言，用戶可以調(diào)節(jié)環(huán)路，檢查環(huán)路帶寬、穩(wěn)定性和瞬態(tài)性能。假如瞬態(tài)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)環(huán)路，直到滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)為止。既然LTpowerCAD負(fù)載瞬態(tài)圖是從小信號(hào)模型中得出的，速度非?？欤珒H是一階近似的。因此，有必要留出足夠(20%至30%)的瞬態(tài)設(shè)計(jì)裕度。

為了保證環(huán)路設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度，每個(gè)LTpowerCAD設(shè)計(jì)工具在公布之前，我們的工程師對(duì)其在凌力爾特的標(biāo)準(zhǔn)演示電路板和環(huán)路測(cè)量上進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證。不過(guò)，在用戶的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)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，用戶有必要通過(guò)原型測(cè)試驗(yàn)證其最終設(shè)計(jì)。

步驟5━附有BOM和pCB尺寸的總結(jié)報(bào)告

在最后這個(gè)步驟中，用戶可以進(jìn)入總結(jié)頁(yè)面，該頁(yè)面供應(yīng)設(shè)計(jì)性能總結(jié)(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(jì)?？偨Y(jié)報(bào)告也可以打印出來(lái)。

圖7：設(shè)計(jì)步驟5：總結(jié)、BOM和設(shè)計(jì)方法尺寸

(可選)步驟6━輸出到LTspice仿真程序中

這個(gè)步驟是可選的，將LTpowerCAD設(shè)計(jì)結(jié)果輸出到LTspice仿真文件中，以進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，詳細(xì)檢查電源穩(wěn)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(shè)計(jì)參數(shù)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(shè)計(jì)方法庫(kù)

LTpowerCAD設(shè)計(jì)方法庫(kù)是一個(gè)重要功能，可幫助用戶快速獲得最終設(shè)計(jì)和很好的結(jié)果。如圖9所示，在主原理圖頁(yè)面，通過(guò)點(diǎn)擊SolutionLibrary軟鍵，用戶可以發(fā)現(xiàn)很多針對(duì)特定凌力爾特產(chǎn)品的已有設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)可能是凌力爾特的標(biāo)準(zhǔn)演示電路板、數(shù)據(jù)表電路或參考設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)中很多都經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和驗(yàn)證，從而使用戶能夠從一個(gè)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的已有樣例開始新的設(shè)計(jì)。此外，用戶可以保存自己的設(shè)計(jì)，建立自己的設(shè)計(jì)方法庫(kù)，以備日后使用。

圖9：已有設(shè)計(jì)方法庫(kù)為將來(lái)的設(shè)計(jì)供應(yīng)了一個(gè)良好的起點(diǎn)

與新公布同步更新，安全性更高

LTpowerCADII設(shè)計(jì)工具是基于MicrosoftWindowspC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(shè)計(jì)工具相比，LTpowerCAD可以利用強(qiáng)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，也不要擔(dān)心數(shù)據(jù)安全性問題。安裝完成后，用戶不要互聯(lián)網(wǎng)連接，就可以運(yùn)行程序。而且，用戶還可以定期點(diǎn)擊程序起始頁(yè)面上的SYNCRELEASE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(jié)

LTpowerCAD設(shè)計(jì)工具供應(yīng)了一種強(qiáng)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(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)。其標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法庫(kù)和用戶設(shè)計(jì)方法庫(kù)使設(shè)計(jì)師能夠利用很多已有設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)結(jié)果可以非常容易地輸出到LTspice中以進(jìn)行仿真，進(jìn)而詳細(xì)評(píng)估性能。LTpowerCAD還有很多更細(xì)致的功能，本文尚未提及(請(qǐng)查閱參考資料)?？傊琇TpowerCAD設(shè)計(jì)工具可幫助系統(tǒng)工程師快速設(shè)計(jì)新的設(shè)計(jì)方法，并取得很好的結(jié)果，而且能夠最大限度減少所需工作量和時(shí)間。