設(shè)計(jì)開關(guān)模式電源關(guān)鍵參數(shù)的五大簡(jiǎn)單步驟

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(duì)于先進(jìn)的電源設(shè)計(jì)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(yīng)用設(shè)計(jì)定制的內(nèi)置電源設(shè)計(jì)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(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。本文介紹了怎樣通過幾個(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。在定義完電源性能規(guī)格后，工程師首先需要選擇轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，例如用于降壓?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，工程師需要選擇電源管理 IC，選擇時(shí)或者基于過去的經(jīng)驗(yàn)，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(shí)或廠商在數(shù)據(jù)表中所提供的公式來計(jì)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(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)需要復(fù)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(shí)候了，在這一步，工程師要確保沒有振蕩輸出或過熱問題。對(duì)于一位經(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。它可能需要數(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)方案，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)工具提供了一種系統(tǒng)化和簡(jiǎn)便的方法，可通過 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)方案；（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） 產(chǎn)生附有 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 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)方案庫(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)方案庫(kù)。工程師可以使用這類設(shè)計(jì)方案，為未來的電源設(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。產(chǎn)生第一個(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，一位工程師需要設(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)方案
第一步是搜索關(guān)鍵電源 IC 或微型模塊，這是設(shè)計(jì)方案的核心?？梢砸揽窟^去的經(jīng)驗(yàn)選擇 IC 或微型模塊 （μModule？），也可以進(jìn)入LTpowerCAD設(shè)計(jì)方案搜索頁(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，從該程序提供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)方案

在圖 2 中，程序提供的 IC 設(shè)計(jì)方案列表的最左邊，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Microsoft Excel電子表格的設(shè)計(jì)工具可用。如果這兩種符號(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)，用戶通常需要從開關(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，提供原理圖和關(guān)鍵參數(shù)值

對(duì)于關(guān)鍵電路參數(shù) （例如： 電感器紋波電流），程序?yàn)槊總€(gè)器件提供了內(nèi)置限制。如圖 4 所示，如果用戶設(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)方案，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提供超過 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 DC IO（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0.23μH。從電感器庫(kù)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(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。如果 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，如果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。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“Loss Estimation and Breakdown”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，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)工具程序仍然提供了一種實(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 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)卡提供電源輸出阻抗圖，以向用戶提供更多環(huán)路設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。負(fù)載瞬態(tài)圖可供用戶定義負(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，產(chǎn)生另外的設(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。如果瞬態(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(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)工具在發(fā)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，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)面提供設(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。

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

（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)方案庫(kù)
LTpowerCAD 設(shè)計(jì)方案庫(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，通過點(diǎn)擊“Solution Library”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)方案庫(kù)，以備日后使用。

圖 9：已有設(shè)計(jì)方案庫(kù)為將來的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(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，也不需要擔(dān)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(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“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(jié)
LTpowerCAD 設(shè)計(jì)工具提供了一種強(qiáng)大、易用的方法，可通過 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)方案庫(kù)和用戶設(shè)計(jì)方案庫(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?，LTpowerCAD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)方案，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。