ADIsimPower 提供穩(wěn)定 可靠的、可定制 DC-DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

作者：Matt Kessler

簡(jiǎn)介

無(wú)論是新手還是專家，DC-DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)人員都會(huì)面臨海量的電源管理1 IC 選擇。要找到特性、性能、集成度和價(jià)格的最佳組合十分困難，實(shí)際設(shè)計(jì)工作會(huì)非常棘手。ADIsimPowerTM2旨在簡(jiǎn)化 IC 選擇過程，并提供構(gòu)建最佳 DC-DC 轉(zhuǎn)換器所需的信息。

大部分 DC-DC 選型指南只是根據(jù)給定的一組輸入，將用戶直接導(dǎo)向可行的開關(guān)調(diào)節(jié)器3、開關(guān)控制器4和線性調(diào)節(jié)器5，而不提供對(duì)選定特定器件時(shí)所做的取舍進(jìn)行量化的方法。ADIsimPower 則不同，它允許設(shè)計(jì)人員考察電源轉(zhuǎn)換的各種取舍關(guān)系和設(shè)計(jì)復(fù)雜性。這款新工具提供智能化選型指南和全面的設(shè)計(jì)輔助，它可根據(jù)用戶的尺寸、功效、成本、器件數(shù)量或上述參數(shù)組合的確切要求，產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

ADIsimPower 選型和設(shè)計(jì)流程包括四步：1. 輸入設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；2. 查看所有設(shè)計(jì)解決方案；3. 查看解決方案詳情；4. 構(gòu)建完成設(shè)計(jì)。流程結(jié)束時(shí)，ADIsimPower 將提供定制的原理圖、含供應(yīng)商產(chǎn)品型號(hào)和價(jià)格的材料清單 (BOM)、效率圖、性能規(guī)格、閉環(huán)傳遞函數(shù)以及快速構(gòu)建設(shè)計(jì)的方法。

輸入設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

ADIsimPower 的第一頁(yè)包括如下用戶輸入字段：最小輸入電壓、最大輸入電壓、輸出電壓、輸出電流和最大環(huán)境溫度；各參數(shù)的上下限顯示于相應(yīng)文本框下方。填好這些參數(shù)之后，按下“查找解決方案”按鈕可查找適合此應(yīng)用的推薦解決方案。用戶如果知道要使用 ADI 公司的哪一款電源管理器件，可以點(diǎn)擊“選擇IC”。這將激活一個(gè)下拉菜單，其中列出了當(dāng)前支持的電源管理 IC。選取一個(gè)器件之后，用戶將直接轉(zhuǎn)到“查看解決方案詳情”。

查看所有設(shè)計(jì)解決方案

ADIsimPower 的第二階段是幫助用戶選擇最符合設(shè)計(jì)要求的器件。為清楚起見，頁(yè)面上方重復(fù)顯示了第一階段的設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)。下面是“推薦解決方案”，它按照以下標(biāo)準(zhǔn)列出各種推薦解決方案的 IC 和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：成本最低、尺寸最小、器件最少和功效最高。推薦方案基于整個(gè) DC-DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，包括電源管理 IC、電感、電容、電阻、MOSFET 和二極管。

“推薦解決方案”下面是一張表，它按順序列出每種可用 IC的解決方案成本、尺寸、功效和器件數(shù)量，讓用戶不必用各器件進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)就能了解各種設(shè)計(jì)的取舍優(yōu)勢(shì)。各列都可以排序，以突出最重要的取舍考量。表格右方是特性列表。若要擴(kuò)展或合并此列表，請(qǐng)點(diǎn)擊“顯示全部特性”或“顯示默認(rèn)特性”。點(diǎn)擊相應(yīng)的復(fù)選框可以選擇或取消選擇一項(xiàng)特性。請(qǐng)選擇應(yīng)用需要的所有特性。不包括所選特性的 IC 將從此表中和推薦解決方案中移除。

選好特性、性能、集成度和成本達(dá)到最佳平衡的 IC 之后，點(diǎn)擊相應(yīng)的“查看解決方案”按鈕。如果此按鈕未激活，則表示 ADIsimPower 暫不提供全面設(shè)計(jì)支持。請(qǐng)點(diǎn)擊 IC 名稱，查看數(shù)據(jù)手冊(cè)和其它信息。點(diǎn)擊“下載設(shè)計(jì)工具”可獲得基于Excel 且可以在本地運(yùn)行的設(shè)計(jì)工具。

查看解決方案詳情

在這一階段，ADIsimPower 產(chǎn)生并顯示完整的設(shè)計(jì)，包括定制的原理圖、詳盡的材料清單以及工作參數(shù)、功耗和最高溫度預(yù)估。開關(guān)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)還會(huì)顯示功效圖和損耗圖，某些情況下還會(huì)給出閉環(huán)傳遞函數(shù)。

為清楚起見，頁(yè)面上方重復(fù)顯示了原始輸入?yún)?shù)；如果更改設(shè)計(jì)參數(shù)，頁(yè)面上方也會(huì)相應(yīng)更新。點(diǎn)擊“修改高級(jí)設(shè)置”將打開一個(gè)窗口，用戶可以在其中修改許多設(shè)置，包括但不限于：精度、最大元件高度、峰峰值輸出電壓紋波、輸入濾波器要求、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)、電感紋波電流和 MOSFET 供應(yīng)商偏好（根據(jù)器件選擇情況，可能只顯示這些特性的一部分）。

ADIsimPower 與其它 DC-DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)工具的一個(gè)不同之處，就是能夠修改這些設(shè)置。不難理解，這樣安排的目的是讓電源設(shè)計(jì)新手感覺輕松，但高級(jí)設(shè)置正是電源設(shè)計(jì)專家希望在設(shè)計(jì)中加以控制的一類參數(shù)。

該頁(yè)面的下一部分含有多個(gè)選項(xiàng)卡，用來(lái)指定各種重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。同樣，這些選項(xiàng)卡中的信息因所選 IC 而異，但常用選項(xiàng)卡包括工作參數(shù)預(yù)估、功耗預(yù)估和溫度預(yù)估。所有參數(shù)都會(huì)顯示最低輸入電壓和最高輸入電壓兩種情況下的值。工作參數(shù)預(yù)估選項(xiàng)卡包括 PWM 占空比、峰峰值輸出電壓紋波和峰值電感電流等參數(shù)。功耗預(yù)估選項(xiàng)卡顯示各高損耗元件的功耗。溫度預(yù)估選項(xiàng)卡顯示與功耗預(yù)估選項(xiàng)卡中的損耗相關(guān)的各元件溫度。功耗和溫度計(jì)算所使用的參數(shù)值中，決定功耗的許多參數(shù)取最差情況值，以確保設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠。

下一部分顯示完整的定制原理圖，包括參考名稱和引腳編號(hào)。

接下來(lái)是“材料清單”。其中可能有多個(gè)元件可以編輯，其項(xiàng)目編號(hào)顯示為橙色。點(diǎn)擊項(xiàng)目編號(hào)可以看到一個(gè)列表，它包括符合相關(guān)要求，可用于設(shè)計(jì)的其它元件。列標(biāo)題因元件類型而異。典型標(biāo)題包括制造商、產(chǎn)品型號(hào)、功耗 (W)、面積(mm2)、高度 (mm)、成本 ($)，以及反映元件特征及其在電路中如何工作的其它特性。這樣，用戶可以繼續(xù)權(quán)衡性能、尺寸和成本，以便全面定制設(shè)計(jì)。每列都可以排序，從而清楚顯示更改元件的量化得失。如果選擇新元件，ADIsimPower 將利用所選元件重新設(shè)計(jì)，確保仍能滿足所有要求。

材料清單之后是“圖形”部分，可能包括效率圖、損耗圖和閉環(huán)傳遞函數(shù)（波特圖），所有圖形都會(huì)顯示最低輸入電壓和最高輸入電壓兩種情況。效率和損耗曲線對(duì)應(yīng)于許多高損耗參數(shù)取最差情況值時(shí)的損耗。這種最差情況分析一般貫穿于整個(gè)ADIsimPower 設(shè)計(jì)流程。其目的是讓用戶確信：該工具所提供的設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠，能適應(yīng)所有元件誤差、環(huán)境溫度范圍和其它電路變化。這款工具所提供的設(shè)計(jì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了基本解決方案的范疇。

在“查看解決方案詳情”階段，每部分的上方均為各種設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（最低成本、元件數(shù)量、功效和尺寸）的單選按鈕。如果選擇新的單選按鈕，該工具將根據(jù)新的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)完全重新設(shè)計(jì)電路，先前所做的所有 BOM 更改也將作廢。確定最終設(shè)計(jì)之后，請(qǐng)點(diǎn)擊“構(gòu)建此解決方案！”。

構(gòu)建完成設(shè)計(jì)

本頁(yè)的第一部分是適合上一階段所選 IC 的評(píng)估板圖片。訂購(gòu)評(píng)估板和 IC 的鏈接位于評(píng)估板圖片右方。圖片下面是與整個(gè)評(píng)估板相對(duì)應(yīng)的原理圖。請(qǐng)注意，本部分的原理圖與評(píng)估板相對(duì)應(yīng)，通常支持許多不同的配置。原理圖上，各元件旁邊顯示元件值和封裝符號(hào)，這將有助于構(gòu)建電路板。許多元件都會(huì)顯示 No Pop，表示此特定設(shè)計(jì)不需要該元件。原理圖下面是材料清單，它同樣是適用于評(píng)估板。清單會(huì)列出所有元件，以便在填充電路板時(shí)進(jìn)行核對(duì)。與“查看解決方案”部分的原理圖和材料清單相比，本部分的原理圖和材料清單可能更長(zhǎng)、更復(fù)雜，更能代表最終設(shè)計(jì)。材料清單下面是評(píng)估板的頂部裝配圖、底部裝配圖和 PCB 所有各層的圖片。簡(jiǎn)言之，本階段提供構(gòu)建完成 ADIsimPower 中創(chuàng)建設(shè)計(jì)所需的一切。

點(diǎn)擊相關(guān)鏈接，用戶可以將“構(gòu)建完成設(shè)計(jì)”和“查看解決方案詳情”部分的相關(guān)信息下載下來(lái)或通過電子郵件發(fā)送，內(nèi)容格式類似于用戶在網(wǎng)頁(yè)上與工具交互時(shí)所看到的格式。

器件數(shù)據(jù)庫(kù)

ADIsimPower 使用的器件數(shù)據(jù)庫(kù)包括 3000 多個(gè)唯一產(chǎn)品型號(hào)，其中有電感、MOSFET、二極管、電容和電源管理 IC。顯然，每種類型的器件都有寄生效應(yīng)，導(dǎo)致它不能以理想的方式工作。因此，為了獲得穩(wěn)定可靠的電源設(shè)計(jì)，必須考慮這些影響。雖然許多寄生效應(yīng)特性都沒有在數(shù)據(jù)手冊(cè)上得到詳盡說明，但 ADIsimPower 的架構(gòu)師和開發(fā)者已從器件制造商那里獲得了這些未公布的信息。這款工具考慮的非理想行為包括但不限于：

電容：電容隨施加電壓的變化 (dC/dV)，ESR 隨開關(guān)頻率的變化 (dC/dT)。

電感：內(nèi)核損耗和集膚效應(yīng)損耗與開關(guān)頻率的函數(shù)關(guān)系。二極管：正向電壓隨正向電流的變化 (dVf/dI)，正向電壓隨溫度的變化 (dVf/dT)，寄生電容隨施加電壓的變化(dC/dV)。

MOSFET：導(dǎo)通電阻隨溫度的變化 (dRds(on)/dT)，導(dǎo)通電阻隨所施加的柵極-源極電壓的變化 (dRds(on)/dVgs)，寄生電容（Coss、Crss、Ciss）隨施加電壓的變化 (dC/dV)。

以上只是 ADIsimPower 設(shè)計(jì)所考慮的許多非理想器件行為中的最一般行為。無(wú)論是經(jīng)常使用 ADIsimPower 的用戶，還是初次使用該工具的用戶，均會(huì)發(fā)現(xiàn)其設(shè)計(jì)結(jié)果十分穩(wěn)定可靠，接近生產(chǎn)水平，符合人們對(duì)設(shè)計(jì)工具的最高期望。

結(jié)束語(yǔ)

無(wú)論是新手還是專家，均可借助 ADIsimPower 找到特性、性能、集成度和成本的最佳組合 IC，獲得最適合特定應(yīng)用的DC-DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)方案。通過“查看所有設(shè)計(jì)解決方案”部分的智能選型指南，用戶可以看到一般需要完成全部設(shè)計(jì)才能知道的各種方案得失。該工具的第三部分是“查看解決方案詳情”，允許用戶編輯器件并調(diào)整高級(jí)特性，從而獲得更加穩(wěn)定可靠、詳盡完善的設(shè)計(jì)。最后階段是“構(gòu)建完成設(shè)計(jì)”，提供構(gòu)建評(píng)估板所需的全部信息，以便評(píng)估設(shè)計(jì)。ADIsimPower是一款與眾不同的 DC-DC 電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)與選型工具，可根據(jù)各種獨(dú)特應(yīng)用的要求，提供穩(wěn)定可靠且真正優(yōu)化的開關(guān)控制器、開關(guān)調(diào)節(jié)器和 LDO 設(shè)計(jì)。

作者簡(jiǎn)介

Matt Kessler [matt.kessler@analog.com] 是電源管理產(chǎn)品應(yīng)用工程師，隸屬位于美國(guó)科羅拉多州科林斯堡的客戶應(yīng)用小組，負(fù)責(zé)為廣泛的產(chǎn)品和客戶提供技術(shù)支持。他也是 ADIsimPower 最早的架構(gòu)師兼開發(fā)者之一。Matt 擁有德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校電子工程學(xué)士學(xué)位，目前正在攻讀科羅拉多州立大學(xué)電子工程碩士學(xué)位。他于 2007年加入 ADI 公司。