使用LTpowerCAD設(shè)計(jì)工具通過五個(gè)簡(jiǎn)單步驟設(shè)計(jì)電源參數(shù)

Henry Zhang

如今，系統(tǒng)主板的電源軌和電源數(shù)量不斷增加。由于解決方案尺寸、效率、熱和瞬態(tài)性能對(duì)于高級(jí)電源解決方案都至關(guān)重要，因此為特定應(yīng)用設(shè)計(jì)定制的板載電源解決方案比使用商用電源模塊更高效、更具成本效益。對(duì)于系統(tǒng)工程師來說，設(shè)計(jì)和優(yōu)化開關(guān)模式電源正成為一項(xiàng)越來越常見和必要的任務(wù)。不幸的是，這項(xiàng)任務(wù)通常非常耗時(shí)且技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性。

為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)任務(wù)并提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和生產(chǎn)率，LTpowerCAD分析儀?程序由凌力爾特的電源應(yīng)用專家開發(fā)，作為電源設(shè)計(jì)和優(yōu)化工具。本文解釋了如何通過幾個(gè)簡(jiǎn)單的步驟對(duì)開關(guān)模式電源關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行“紙面設(shè)計(jì)”，并取得良好的效果。

“紙張?jiān)O(shè)計(jì)”可能既困難又耗時(shí)

為了設(shè)計(jì)和優(yōu)化板載電源，傳統(tǒng)的“紙質(zhì)設(shè)計(jì)”方法可能既困難又耗時(shí)。定義電源規(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)用的降壓轉(zhuǎn)換器或用于升壓應(yīng)用的升壓轉(zhuǎn)換器。接下來，工程師需要根據(jù)過去的經(jīng)驗(yàn)或網(wǎng)絡(luò)搜索工具選擇電源管理IC。之后，工程師需要根據(jù)自己的知識(shí)或供應(yīng)商的數(shù)據(jù)手冊(cè)公式計(jì)算功率元件值。然后是從數(shù)千種器件中選擇功率元件，例如電感電容器和MOSFET。下一步是估算電源效率和功率損耗，同時(shí)確保組件熱應(yīng)力是可接受的。這還不是故事的結(jié)局——環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)是另一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，因?yàn)樗枰獜?fù)雜的電路建模和超出IC數(shù)據(jù)手冊(cè)的參數(shù)值。最后， 繪制原理圖并發(fā)送原型PCB板進(jìn)行制造.現(xiàn)在是時(shí)候讓工程師給電路板上電了，以確保沒有振蕩輸出或過熱。對(duì)于沒有經(jīng)驗(yàn)的電源設(shè)計(jì)人員來說，這個(gè)設(shè)計(jì)過程是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的過程。即使對(duì)于經(jīng)驗(yàn)豐富的電源設(shè)計(jì)人員，傳統(tǒng)的“紙張?jiān)O(shè)計(jì)”方法和試錯(cuò)法也既費(fèi)時(shí)又困難，而且不準(zhǔn)確，缺乏最佳結(jié)果。這可能需要數(shù)小時(shí)、數(shù)天甚至更長(zhǎng)時(shí)間。

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

為了節(jié)省用戶時(shí)間和精力，并實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的設(shè)計(jì)解決方案，凌力爾特的電源應(yīng)用專家開發(fā)了LTpowerCAD設(shè)計(jì)工具。該設(shè)計(jì)工具提供了一種系統(tǒng)而簡(jiǎn)單的方法，可以通過五個(gè)簡(jiǎn)單的步驟來設(shè)計(jì)電源的關(guān)鍵參數(shù)：（1）輸入電源規(guī)格并選擇解決方案;（2）借助自動(dòng)預(yù)警優(yōu)化功率級(jí)組件;（3）優(yōu)化供電效率和功率損耗;（4）設(shè)計(jì)回路補(bǔ)償，優(yōu)化負(fù)載瞬變;（5） 生成包含物料清單和PCB尺寸估算的摘要報(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.使用 LTpowerCAD 設(shè)計(jì)工具通過五個(gè)簡(jiǎn)單步驟設(shè)計(jì)電源

有許多現(xiàn)有的設(shè)計(jì)示例，包括LTpowerCAD解決方案庫(kù)中的凌力爾特演示板和數(shù)據(jù)手冊(cè)電路。用戶還可以使用此工具保存他們的設(shè)計(jì)來構(gòu)建自己的解決方案庫(kù)。工程師可以利用此類解決方案，并將其用作未來電源設(shè)計(jì)的快速起點(diǎn)。此外，LTpowerCAD設(shè)計(jì)可以導(dǎo)出為L(zhǎng)Tspice仿真電路，以檢查時(shí)域電源波形和瞬態(tài)性能。?

使用這些強(qiáng)大的工具，系統(tǒng)工程師可以在幾分鐘內(nèi)完成高質(zhì)量的電源電路設(shè)計(jì)，而不是幾天中的幾小時(shí)，并獲得良好的結(jié)果。大大縮短了首次原型制作的時(shí)間。

LTpowerCAD設(shè)計(jì)步驟和示例

讓我們通過LTpowerCAD設(shè)計(jì)示例來研究詳細(xì)的設(shè)計(jì)步驟。例如，工程師需要設(shè)計(jì)一個(gè)輸入為10.8V至13.2V （12V ±10%）、輸出為1.0V、電流高達(dá)20A的板載電源。這是一個(gè)典型的同步降壓轉(zhuǎn)換器

步驟#1 –搜索電源產(chǎn)品解決方案

第一步是尋找關(guān)鍵電源IC或微模塊，圍繞其構(gòu)建解決方案。IC或微模塊的選擇可以來自過去的經(jīng)驗(yàn)，也可以來自LTpowerCAD解決方案搜索頁(yè)面。如圖2所示，在LTpowerCAD搜索頁(yè)面上，用戶可以輸入電源規(guī)格并選擇可選功能，然后單擊“搜索”軟鍵。之后，從程序提供的列表中選擇所需的部分。

在圖2中，在程序提供的IC解決方案列表的最左側(cè)，有紅色的“LT”符號(hào)或綠色的“Excel”符號(hào)。紅色LT符號(hào)表示LTpowerCAD設(shè)計(jì)工具可用于該器件。綠色的“Excel”符號(hào)表示可以使用基于 Microsoft Excel 電子表格的設(shè)計(jì)工具。如果兩個(gè)符號(hào)均為灰色，則表示該零件尚無設(shè)計(jì)工具。

在本例中，為本 3833V 選擇了 LTC12 電流模式降壓型控制器在至 1V/20A 輸出電源。它的設(shè)計(jì)工具可以通過單擊紅色的“LT”符號(hào)打開。

圖2.設(shè)計(jì)步驟 1：搜索電源解決方案

步驟#2 –功率級(jí)設(shè)計(jì)

第二步是設(shè)計(jì)和選擇功率級(jí)元件，如功率電感器、輸入和輸出電容、電流檢測(cè)元件和功率MOSFET。要設(shè)計(jì)電源，用戶通常需要從開關(guān)頻率開始，f西 南部，然后選擇功率電感器，然后選擇輸入和輸出電容器。功率MOSFET可以在步驟3中選擇/優(yōu)化。

打開設(shè)計(jì)工具后，如圖3所示，主原理圖頁(yè)面在關(guān)鍵元件旁邊顯示設(shè)計(jì)參數(shù)值。在此頁(yè)面上，設(shè)計(jì)值位于具有兩種不同背景顏色的單元格（文本框）中。黃色表示電池中的值來自設(shè)計(jì)規(guī)范，或者由LTpowerCAD工具計(jì)算/推薦。用戶無法直接編輯這些值。藍(lán)色表示單元格中的值是用戶的設(shè)計(jì)選擇。用戶可以直接訪問和編輯這些值。

圖3.設(shè)計(jì)步驟 2 – 包含原理圖和關(guān)鍵參數(shù)值的功率級(jí)設(shè)計(jì)頁(yè)面

對(duì)于電感紋波電流等關(guān)鍵電路參數(shù)，該程序?qū)γ總€(gè)器件都有內(nèi)置限制。如圖 4 所示，如果用戶的設(shè)計(jì)值超出限制，程序會(huì)提供自動(dòng)警告，將橙色單元格顏色顯示為較弱的“軟”警告，或?qū)⒓t色單元格顏色顯示為較強(qiáng)的“硬”警告，以提醒和指導(dǎo)用戶檢查值并調(diào)整設(shè)計(jì)。內(nèi)置限制/警告的值是應(yīng)用專家為相關(guān)產(chǎn)品設(shè)置的建議。需要注意的是，由于它是一種模擬解決方案，因此有時(shí)只要用戶理解警告并對(duì)所選設(shè)計(jì)值充滿信心，就可以接受帶有警告的設(shè)計(jì)。

圖4.自動(dòng)警告引導(dǎo)用戶選擇正確的設(shè)計(jì)值

在此LTpowerCAD原理圖頁(yè)面上，只需單擊鼠標(biāo)即可從內(nèi)置庫(kù)中選擇所有功率組件，例如電感器、電容器和FET。在撰寫本文時(shí)，有許多流行供應(yīng)商的五千多個(gè)組件，并且經(jīng)常添加更多組件。用戶還可以輸入新組件的關(guān)鍵參數(shù)，以在本地PC上構(gòu)建自己的組件庫(kù)。

在這個(gè)12V的例子中在對(duì)于 1V/20A 降壓電源，開關(guān)頻率設(shè)定為 500kHz。因此，計(jì)算0.23μH電感值，以獲得DC I上40%的峰峰值電感電流紋波O（最大值）.從電感庫(kù)中選擇一個(gè)0.22μH/1.1mΩ電感。在本例中，電感繞組直流電阻（DCR）用于電流檢測(cè)。應(yīng)檢查電流檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)值，以確定電流檢測(cè)信號(hào)和電流限制設(shè)置是否正確。如果交流電流檢測(cè)信號(hào)太弱，這可能會(huì)導(dǎo)致潛在的信噪比問題，或者電流限制水平低于目標(biāo)值，程序會(huì)顯示警告。應(yīng)選擇輸入電容，使其滿足RMS額定電流，導(dǎo)通損耗最小。選擇輸出電容器以最小化輸出電壓紋波和瞬態(tài)過沖/下沖。它們將在環(huán)路補(bǔ)償和負(fù)載瞬態(tài)設(shè)計(jì)階段的后期最終確定。下一步將選擇功率MOSFET，以進(jìn)行效率和損耗估算和優(yōu)化。

步驟#3 –電源效率和損耗優(yōu)化

用戶可以通過單擊“損耗估算和擊穿”選項(xiàng)卡進(jìn)入下一步，以優(yōu)化電源效率和功率損耗。如圖5所示，用戶選擇MOSFET并單擊“更新”軟鍵后，將提供給定輸入電壓的電源效率和功率損耗與負(fù)載電流的關(guān)系圖，該圖可通過V改變?cè)诨瑒?dòng)桿。詳細(xì)的功率損耗細(xì)分餅圖進(jìn)一步為用戶提供了理解和調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)和組件的能力，以最大限度地減少某些損耗并優(yōu)化整體效率。

圖5.設(shè)計(jì)步驟 3 – 優(yōu)化效率和功率損耗

LTpowerCAD損耗估算基于許多組件模型和公式。它包括功率 MOSFET、電感器、電容器和 IC 柵極驅(qū)動(dòng)器的損耗。但是，為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)結(jié)果，設(shè)備丟失模型是簡(jiǎn)化的行為模型，而不是復(fù)雜的物理模型。請(qǐng)注意，電感交流損耗尚未在LTpowerCAD中建模，但用戶可以選擇輸入其值。因此，估計(jì)的效率可能比實(shí)際硬件效率高幾個(gè)百分點(diǎn)。即便如此，該工具仍提供快速的實(shí)時(shí)估算，幫助用戶選擇和比較各種設(shè)計(jì)選擇，尤其是電感和功率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，并以良好的穩(wěn)定性裕度優(yōu)化負(fù)載瞬態(tài)性能。這通常被視為最具挑戰(zhàn)性的電源設(shè)計(jì)任務(wù)之一。LTpowerCAD設(shè)計(jì)工具使它變得簡(jiǎn)單明了。

圖6顯示了環(huán)路和瞬態(tài)設(shè)計(jì)頁(yè)面。環(huán)路增益波特圖可以實(shí)時(shí)調(diào)整，通過調(diào)整補(bǔ)償R/C值來實(shí)現(xiàn)所需的環(huán)路帶寬和相位裕量。詳細(xì)的環(huán)路設(shè)計(jì)概念在參考文獻(xiàn) [2] 中進(jìn)行了解釋。對(duì)于開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器，通常建議在交越頻率處具有超過45度甚至60度的相位裕量，并且在電源開關(guān)頻率fSW的一半處具有至少8dB的增益衰減。有多個(gè)選項(xiàng)卡，其中一個(gè)用于電源輸出阻抗圖，為用戶提供更多環(huán)路設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。負(fù)載瞬態(tài)圖針對(duì)用戶定義的負(fù)載步長(zhǎng)和電流壓擺率提供。用戶可以“凍結(jié)圖”給定設(shè)計(jì)，然后更改設(shè)計(jì)值或組件選擇，以與替代設(shè)計(jì)進(jìn)行比較以獲得最佳結(jié)果。

圖6.設(shè)計(jì)步驟4 – 反饋回路和負(fù)載瞬態(tài)設(shè)計(jì)

對(duì)于給定的負(fù)載瞬態(tài)條件（負(fù)載電流步長(zhǎng)和壓擺率）和 V外過沖/下沖目標(biāo)限制，用戶可以調(diào)整環(huán)路并檢查環(huán)路帶寬、穩(wěn)定性和瞬態(tài)性能。如果瞬態(tài)性能仍然達(dá)不到目標(biāo)，用戶可以增加輸出電容（包括大容量電容和陶瓷電容），然后重新調(diào)整環(huán)路，直到達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。由于LTpowerCAD負(fù)載瞬態(tài)圖是從小信號(hào)模型得出的，因此它們非常快，但只是一階近似值。因此，有必要留出足夠的（20%至30%）瞬態(tài)設(shè)計(jì)裕量。

為了保證環(huán)路設(shè)計(jì)精度，每個(gè)LTpowerCAD設(shè)計(jì)工具都經(jīng)過凌力爾特標(biāo)準(zhǔn)演示板上的臺(tái)架驗(yàn)證，并在工具發(fā)布之前由線性工程師進(jìn)行環(huán)路測(cè)量。但是，在用戶設(shè)計(jì)中，結(jié)果可能會(huì)受到元件寄生值變化的影響，例如電容ESR值不準(zhǔn)確。因此，用戶有必要通過原型測(cè)試來驗(yàn)證其最終設(shè)計(jì)。

步驟#5 –包含BOM和大小的摘要

最后一步，用戶可以進(jìn)入摘要頁(yè)面，該頁(yè)面提供設(shè)計(jì)性能摘要，以及電源組件的簡(jiǎn)要物料清單（BOM）列表和總組件封裝尺寸的粗略估計(jì)。還可以打印摘要報(bào)告。

（可選）步驟#6 –導(dǎo)出到LTspice仿真

有一個(gè)可選步驟將LTpowerCAD設(shè)計(jì)導(dǎo)出到LTspice仿真文件以進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，以檢查詳細(xì)的電源穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)波形及性能。這可以通過單擊LTpowerCAD原理圖頁(yè)面上的LTspice軟鍵來完成，以將LTpowerCAD中的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)導(dǎo)出到LTspice仿真電路。

圖7.設(shè)計(jì)步驟 5 – 設(shè)計(jì)摘要、BOM 和尺寸

圖8.可選步驟6 – 導(dǎo)出至LTspice電路仿真

設(shè)計(jì)解決方案庫(kù)

LTpowerCAD設(shè)計(jì)解決方案庫(kù)是一項(xiàng)重要功能，可幫助用戶快速獲得最終設(shè)計(jì)并獲得良好的結(jié)果。如圖 9 所示，在原理圖主頁(yè)面上，通過單擊“解決方案庫(kù)”軟鍵，用戶可以找到給定凌力爾特產(chǎn)品的許多現(xiàn)有設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)可以是凌力爾特的標(biāo)準(zhǔn)演示板、數(shù)據(jù)手冊(cè)電路和參考設(shè)計(jì)。其中許多已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)證，使用戶能夠從現(xiàn)有的經(jīng)過驗(yàn)證的示例之一開始新設(shè)計(jì)。此外，用戶可以保存他們的設(shè)計(jì)并構(gòu)建用戶解決方案庫(kù)以備將來使用。

圖9.現(xiàn)有的解決方案庫(kù)為未來的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)良好的起點(diǎn)

“同步發(fā)布”提供高安全性更新

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并將其安裝在本地PC上。與基于Web的設(shè)計(jì)工具相比，LTpowerCAD可以利用功能強(qiáng)大的本地PC的全部功能和資源，而不受共享互聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)資源或數(shù)據(jù)安全問題的限制。安裝后，用戶不需要互聯(lián)網(wǎng)連接即可運(yùn)行該程序。但是，用戶可以定期單擊程序啟動(dòng)頁(yè)面上的“SYNC RELEASE”鍵來檢查程序更新，例如新工具和功能，而無需安裝新的LTpowerCAD。

總結(jié)

LTpowerCAD設(shè)計(jì)工具提供了一種功能強(qiáng)大、易于使用的方法，可通過五個(gè)簡(jiǎn)單的步驟設(shè)計(jì)新電源的關(guān)鍵參數(shù)。其標(biāo)準(zhǔn)和用戶解決方案庫(kù)使設(shè)計(jì)人員能夠利用許多現(xiàn)有設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)結(jié)果可以輕松導(dǎo)出，用于LTspice仿真，以進(jìn)行詳細(xì)的性能評(píng)估。還有許多本文未提及的詳細(xì)功能。[3] 總之，LTpowerCAD設(shè)計(jì)工具可幫助系統(tǒng)工程師快速設(shè)計(jì)出新的解決方案，并獲得良好的結(jié)果和最少的工作量和時(shí)間。

審核編輯：郭婷