淺談如何善用線上設(shè)計(jì)工具縮短電源設(shè)計(jì)流程

　　在產(chǎn)品生命週期日趨縮短下，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師必須及早在系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)工程師可藉由電源電路的線上設(shè)計(jì)工具，來縮短前段處理，甚至完整設(shè)計(jì)的時(shí)間。

　　市場的競爭壓力迫使新一代產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間越來越短，較晚進(jìn)入市場者，通常將喪失商機(jī)與市場占有率。

　　其中，負(fù)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(yùn)作頻率等挑戰(zhàn)，因此產(chǎn)品生命週期相當(dāng)短，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師再也不能將電源的設(shè)計(jì)與整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分開，如果沒有及早進(jìn)行電源整合的考量，那么就可能過度消耗資源，而且必須在最后階段大幅修正產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

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

　　在電源電路設(shè)計(jì)上，由于新興的設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜而且特殊化，因此對模擬工具的需求也就越來越高，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(jì)算動(dòng)作，同時(shí)耗費(fèi)許多時(shí)間在架構(gòu)塬型設(shè)計(jì)上，還得重復(fù)比較實(shí)驗(yàn)室測量值與計(jì)算結(jié)果來加以修正。因此，在面臨急迫的設(shè)計(jì)期限時(shí)，通常會(huì)迫使許多工程師使用先前的設(shè)計(jì)進(jìn)行漸進(jìn)式修改，而無法採用最新技術(shù)。

　　電源電路的線上設(shè)計(jì)工具可透過許多不同方法來協(xié)助電路設(shè)計(jì)工程師完成專案，部分工具的目標(biāo)是透過比較與選擇晶片與拓樸結(jié)構(gòu)，來縮短前段處理，另外一些則提供已經(jīng)設(shè)計(jì)好電路圖的模擬支援。理想上，支援設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)的工具應(yīng)該要涵蓋整個(gè)設(shè)計(jì)週期。

　　完整解決方案趨于主流

　　半導(dǎo)體業(yè)者已開始採用以解決方案為主的方式，來簡化并加速低耗電系統(tǒng)的電源管理電路設(shè)計(jì)。以國際整流器公司（IR）的myPOWER線上設(shè)計(jì)中心為例（圖 1），其包含一系列功率半導(dǎo)體、被動(dòng)元件與針對特定功率等級(jí)的電感器，并以最佳化電路板布局安排，提供可預(yù)測電氣與溫度效能等經(jīng)過完整測試與特性分類的參考設(shè)計(jì)。和常見的模擬電路板不同，這些參考設(shè)計(jì)都儘可能地反應(yīng)實(shí)際電路的情況，提供如電路板布局、溫度設(shè)計(jì)，以及元件搭配最佳化等復(fù)雜問題的有效解答。

　　使用設(shè)計(jì)工程師輸入的運(yùn)作參數(shù)、溫度情況與功能要求，這項(xiàng)設(shè)計(jì)工具能計(jì)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(jì)算動(dòng)作會(huì)在資料庫中合適的參考設(shè)計(jì)上重復(fù)執(zhí)行，以便找出最佳設(shè)計(jì)，并提供包括計(jì)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(shè)計(jì)工程師就可以進(jìn)行所有資料的比對，并取得符合設(shè)計(jì)目標(biāo)的最佳解決方案選擇。

　　每個(gè)參考設(shè)計(jì)都搭配全套線上模擬工具，模擬能力包含小訊號(hào)與大訊號(hào)分析、切換波形以及所有零組件的效能分析，提供給設(shè)計(jì)工程師搭配內(nèi)含製造商元件編號(hào)與預(yù)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(diào)整設(shè)計(jì)的各種不同替代零件資料庫。

　　這項(xiàng)模擬功能能夠在訂購塬型功能展示電路板前驗(yàn)證零件應(yīng)力、零件值與電路連線，以便節(jié)省開發(fā)時(shí)間，所有數(shù)值都可以在幾秒鐘內(nèi)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(jié)省大量時(shí)間。

　　在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)參考設(shè)計(jì)的客製化時(shí)，使用者可調(diào)整系統(tǒng)級(jí)輸入，來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(shè)計(jì)工程師免除更換零件的成本與時(shí)間，帶來進(jìn)行大量設(shè)計(jì)修改的自由度。在設(shè)計(jì)工程師驗(yàn)證了所選用的參考設(shè)計(jì)是否符合需求后，便可進(jìn)行效能測試，并確認(rèn)整個(gè)設(shè)計(jì)可以運(yùn)作，同時(shí)所測量的結(jié)果也能夠符合線上工具提供的計(jì)算值（圖2）。

　　以國際整流器公司的設(shè)計(jì)支援團(tuán)隊(duì)為例，即採用以解決方案為主的方式，提供符合線上使用者客製化要求的參考設(shè)計(jì)電路板，每個(gè)客製化電路板都經(jīng)過針對規(guī)格的測試，并能產(chǎn)生可以直接運(yùn)用到嵌入式應(yīng)用的設(shè)計(jì)檔案。這些經(jīng)過測試的客製化參考設(shè)計(jì)套件，將會(huì)針對線上所得的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，讓使用者可開始進(jìn)行系統(tǒng)層級(jí)的效能測試。

　　電路設(shè)計(jì)自動(dòng)化

　　許多針對特定應(yīng)用所設(shè)計(jì)的晶片在採用其他被動(dòng)與主動(dòng)式元件時(shí)，在設(shè)計(jì)上都是依循資料規(guī)格書的大量應(yīng)用註記。雖然文件中包含的專業(yè)知識(shí)對工程師來說具有相當(dāng)參考價(jià)值，但還是得花上幾個(gè)小時(shí)，甚至數(shù)天的時(shí)間來完成所有的計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)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(jié)構(gòu)技術(shù)的一個(gè)重要障礙，同時(shí)學(xué)習(xí)曲線也較長。因此在這類線路設(shè)計(jì)上，一項(xiàng)可以執(zhí)行所有必要運(yùn)算的線上設(shè)計(jì)工具，將有助于節(jié)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(shù)校正（PFC）設(shè)計(jì)工具，是以基礎(chǔ)的電路圖為開端，接著讓設(shè)計(jì)工程師指定用來計(jì)算被動(dòng)元件值的輸入與輸出參數(shù)，將手動(dòng)計(jì)算所須耗費(fèi)的數(shù)個(gè)小時(shí)縮短到幾秒鐘，并且能夠讓設(shè)計(jì)工程師快速分析波形，以及針對個(gè)人需求進(jìn)行設(shè)計(jì)最佳化工作。

　　自動(dòng)化分析的結(jié)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(xiàng)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(yīng)與誤差放大器響應(yīng)的圖形（圖4），所有資料都以PDF檔提供，以方便設(shè)計(jì)工程師整合到個(gè)人的設(shè)計(jì)筆記本中。

　　在最佳情況下，這類線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(shè)計(jì)工程師直接取代現(xiàn)有電源、更換舊式連續(xù)導(dǎo)通模式PFC電路，而不須耗費(fèi)太多寶貴時(shí)間在重復(fù)效能測試上。

　　節(jié)省時(shí)間 創(chuàng)造更大效益

　　直接引用經(jīng)過驗(yàn)證的設(shè)計(jì)，是設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行新系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)時(shí)最簡單的方法。不幸的是，舊式電源設(shè)計(jì)可能無法符合新系統(tǒng)的需求，同時(shí)也阻礙了採用較新且經(jīng)過改善的晶片與可以提升效能的切換開關(guān)。

　　當(dāng)然，工程師也可以透過架構(gòu)塬型機(jī)進(jìn)行重復(fù)測試程序等舊方法來產(chǎn)生新設(shè)計(jì)，但這對專長于數(shù)位領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師來說，卻不是簡單的工作，而且工程師們也沒有額外的時(shí)間。

　　模擬是讓設(shè)計(jì)工程師不須真正架構(gòu)塬型機(jī)，而能夠找出并修正問題的良好方式，同時(shí)可以加速設(shè)計(jì)流程。不過，良好的模擬程式卻相當(dāng)昂貴，而且須準(zhǔn)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(dāng)耗時(shí)。然而，塬型機(jī)的製作還是有其存在的必要，因?yàn)榇蟛糠帜M結(jié)果的精確度，還不足以與良好的設(shè)計(jì)匹敵。

　　設(shè)計(jì)工具與網(wǎng)際網(wǎng)路的結(jié)合，加速了電路設(shè)計(jì)與塬型機(jī)製作，近年由于電子設(shè)計(jì)在復(fù)雜度與成本上都越來越高，因此對模擬工具的需求也日益迫切，今日的設(shè)計(jì)工程師必須儘可能使用最新技術(shù)，來設(shè)計(jì)出尺寸更小且更有效率的電源轉(zhuǎn)換裝置。線上模擬與供貨系統(tǒng)工具軟體不僅有助于節(jié)省時(shí)間，同時(shí)也能確保具備有可運(yùn)行塬型機(jī)與相關(guān)支援測試資料的穩(wěn)固設(shè)計(jì)，透過高速模擬、成熟的設(shè)計(jì)平臺(tái)以及完全組裝且經(jīng)過測試的參考設(shè)計(jì)電路板，設(shè)計(jì)工程師將可在整個(gè)開發(fā)流程的早期，取得有效的端對端設(shè)計(jì)解決方案。