電源效率和功耗優(yōu)化 - 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

　　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?？?，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)頁面，該頁面提供設(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

　?。蛇x） 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

　　LTpowerCAD 設(shè)計(jì)方案庫是一個(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，以備日后使用。

　　圖 9：已有設(shè)計(jì)方案庫為將來的設(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)方案庫和用戶設(shè)計(jì)方案庫使設(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）。總之，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。