Henry Zhang

如今，系統主板的電源軌和電源數量不斷增加。由于解決方案尺寸、效率、熱和瞬態性能對于高級電源解決方案都至關重要，因此為特定應用設計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。對于系統工程師來說，設計和優化開關模式電源正成為一項越來越常見和必要的任務。不幸的是，這項任務通常非常耗時且技術上具有挑戰性。

為了簡化設計任務并提高設計質量和生產率，LTpowerCAD分析儀?程序由凌力爾特的電源應用專家開發，作為電源設計和優化工具。本文解釋了如何通過幾個簡單的步驟對開關模式電源關鍵參數進行“紙面設計”，并取得良好的效果。

“紙張設計”可能既困難又耗時

為了設計和優化板載電源，傳統的“紙質設計”方法可能既困難又耗時。定義電源規格后，工程師首先需要選擇轉換器拓撲，例如用于降壓應用的降壓轉換器或用于升壓應用的升壓轉換器。接下來，工程師需要根據過去的經驗或網絡搜索工具選擇電源管理IC。之后，工程師需要根據自己的知識或供應商的數據手冊公式計算功率元件值。然后是從數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，同時確保組件熱應力是可接受的。這還不是故事的結局——環路補償設計是另一項具有挑戰性的任務，因為它需要復雜的電路建模和超出IC數據手冊的參數值。最后， 繪制原理圖并發送原型PCB板進行制造.現在是時候讓工程師給電路板上電了，以確保沒有振蕩輸出或過熱。對于沒有經驗的電源設計人員來說，這個設計過程是一個具有挑戰性的過程。即使對于經驗豐富的電源設計人員，傳統的“紙張設計”方法和試錯法也既費時又困難，而且不準確，缺乏最佳結果。這可能需要數小時、數天甚至更長時間。

LTpowerCAD設計工具簡化了任務

為了節省用戶時間和精力，并實現高質量的設計解決方案，凌力爾特的電源應用專家開發了LTpowerCAD設計工具。該設計工具提供了一種系統而簡單的方法，可以通過五個簡單的步驟來設計電源的關鍵參數：（1）輸入電源規格并選擇解決方案;（2）借助自動預警優化功率級組件;（3）優化供電效率和功率損耗;（4）設計回路補償，優化負載瞬變;（5） 生成包含物料清單和PCB尺寸估算的摘要報告。圖1顯示了使用LTpowerCAD設計工具的設計流程。

圖1.使用 LTpowerCAD 設計工具通過五個簡單步驟設計電源

有許多現有的設計示例，包括LTpowerCAD解決方案庫中的凌力爾特演示板和數據手冊電路。用戶還可以使用此工具保存他們的設計來構建自己的解決方案庫。工程師可以利用此類解決方案，并將其用作未來電源設計的快速起點。此外，LTpowerCAD設計可以導出為LTspice仿真電路，以檢查時域電源波形和瞬態性能。?

使用這些強大的工具，系統工程師可以在幾分鐘內完成高質量的電源電路設計，而不是幾天中的幾小時，并獲得良好的結果。大大縮短了首次原型制作的時間。

LTpowerCAD設計步驟和示例

讓我們通過LTpowerCAD設計示例來研究詳細的設計步驟。例如，工程師需要設計一個輸入為10.8V至13.2V （12V ±10%）、輸出為1.0V、電流高達20A的板載電源。這是一個典型的同步降壓轉換器

步驟#1 –搜索電源產品解決方案

第一步是尋找關鍵電源IC或微模塊，圍繞其構建解決方案。IC或微模塊的選擇可以來自過去的經驗，也可以來自LTpowerCAD解決方案搜索頁面。如圖2所示，在LTpowerCAD搜索頁面上，用戶可以輸入電源規格并選擇可選功能，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，有紅色的“LT”符號或綠色的“Excel”符號。紅色LT符號表示LTpowerCAD設計工具可用于該器件。綠色的“Excel”符號表示可以使用基于 Microsoft Excel 電子表格的設計工具。如果兩個符號均為灰色，則表示該零件尚無設計工具。

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。它的設計工具可以通過單擊紅色的“LT”符號打開。

圖2.設計步驟 1：搜索電源解決方案

步驟#2 –功率級設計

第二步是設計和選擇功率級元件，如功率電感器、輸入和輸出電容、電流檢測元件和功率MOSFET。要設計電源，用戶通常需要從開關頻率開始，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/優化。

打開設計工具后，如圖3所示，主原理圖頁面在關鍵元件旁邊顯示設計參數值。在此頁面上，設計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計規范，或者由LTpowerCAD工具計算/推薦。用戶無法直接編輯這些值。藍色表示單元格中的值是用戶的設計選擇。用戶可以直接訪問和編輯這些值。

圖3.設計步驟 2 – 包含原理圖和關鍵參數值的功率級設計頁面

對于電感紋波電流等關鍵電路參數，該程序對每個器件都有內置限制。如圖 4 所示，如果用戶的設計值超出限制，程序會提供自動警告，將橙色單元格顏色顯示為較弱的“軟”警告，或將紅色單元格顏色顯示為較強的“硬”警告，以提醒和指導用戶檢查值并調整設計。內置限制/警告的值是應用專家為相關產品設置的建議。需要注意的是，由于它是一種模擬解決方案，因此有時只要用戶理解警告并對所選設計值充滿信心，就可以接受帶有警告的設計。

圖4.自動警告引導用戶選擇正確的設計值

在此LTpowerCAD原理圖頁面上，只需單擊鼠標即可從內置庫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，有許多流行供應商的五千多個組件，并且經常添加更多組件。用戶還可以輸入新組件的關鍵參數，以在本地PC上構建自己的組件庫。

在這個12V的例子中在對于 1V/20A 降壓電源，開關頻率設定為 500kHz。因此，計算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）.從電感庫中選擇一個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。應檢查電流檢測網絡值，以確定電流檢測信號和電流限制設置是否正確。如果交流電流檢測信號太弱，這可能會導致潛在的信噪比問題，或者電流限制水平低于目標值，程序會顯示警告。應選擇輸入電容，使其滿足RMS額定電流，導通損耗最小。選擇輸出電容器以最小化輸出電壓紋波和瞬態過沖/下沖。它們將在環路補償和負載瞬態設計階段的后期最終確定。下一步將選擇功率MOSFET，以進行效率和損耗估算和優化。

步驟#3 –電源效率和損耗優化

用戶可以通過單擊“損耗估算和擊穿”選項卡進入下一步，以優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載電流的關系圖，該圖可通過V改變在滑動桿。詳細的功率損耗細分餅圖進一步為用戶提供了理解和調整設計參數和組件的能力，以最大限度地減少某些損耗并優化整體效率。

圖5.設計步驟 3 – 優化效率和功率損耗

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 柵極驅動器的損耗。但是，為了實現實時結果，設備丟失模型是簡化的行為模型，而不是復雜的物理模型。請注意，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，估計的效率可能比實際硬件效率高幾個百分點。即便如此，該工具仍提供快速的實時估算，幫助用戶選擇和比較各種設計選擇，尤其是電感和功率MOSFET。

步驟#4 –反饋環路設計和瞬態優化

下一步是設計電壓反饋環路，并以良好的穩定性裕度優化負載瞬態性能。這通常被視為最具挑戰性的電源設計任務之一。LTpowerCAD設計工具使它變得簡單明了。

圖6顯示了環路和瞬態設計頁面。環路增益波特圖可以實時調整，通過調整補償R/C值來實現所需的環路帶寬和相位裕量。詳細的環路設計概念在參考文獻 [2] 中進行了解釋。對于開關模式電源轉換器，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，并且在電源開關頻率fSW的一半處具有至少8dB的增益衰減。有多個選項卡，其中一個用于電源輸出阻抗圖，為用戶提供更多環路設計細節。負載瞬態圖針對用戶定義的負載步長和電流壓擺率提供。用戶可以“凍結圖”給定設計，然后更改設計值或組件選擇，以與替代設計進行比較以獲得最佳結果。

圖6.設計步驟4 – 反饋回路和負載瞬態設計

對于給定的負載瞬態條件（負載電流步長和壓擺率）和 V外過沖/下沖目標限制，用戶可以調整環路并檢查環路帶寬、穩定性和瞬態性能。如果瞬態性能仍然達不到目標，用戶可以增加輸出電容（包括大容量電容和陶瓷電容），然后重新調整環路，直到達到設計目標。由于LTpowerCAD負載瞬態圖是從小信號模型得出的，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%）瞬態設計裕量。

為了保證環路設計精度，每個LTpowerCAD設計工具都經過凌力爾特標準演示板上的臺架驗證，并在工具發布之前由線性工程師進行環路測量。但是，在用戶設計中，結果可能會受到元件寄生值變化的影響，例如電容ESR值不準確。因此，用戶有必要通過原型測試來驗證其最終設計。

步驟#5 –包含BOM和大小的摘要

最后一步，用戶可以進入摘要頁面，該頁面提供設計性能摘要，以及電源組件的簡要物料清單（BOM）列表和總組件封裝尺寸的粗略估計。還可以打印摘要報告。

（可選）步驟#6 –導出到LTspice仿真

有一個可選步驟將LTpowerCAD設計導出到LTspice仿真文件以進行實時仿真，以檢查詳細的電源穩態和瞬態波形及性能。這可以通過單擊LTpowerCAD原理圖頁面上的LTspice軟鍵來完成，以將LTpowerCAD中的關鍵設計參數導出到LTspice仿真電路。

圖7.設計步驟 5 – 設計摘要、BOM 和尺寸

圖8.可選步驟6 – 導出至LTspice電路仿真

設計解決方案庫

LTpowerCAD設計解決方案庫是一項重要功能，可幫助用戶快速獲得最終設計并獲得良好的結果。如圖 9 所示，在原理圖主頁面上，通過單擊“解決方案庫”軟鍵，用戶可以找到給定凌力爾特產品的許多現有設計。這些設計可以是凌力爾特的標準演示板、數據手冊電路和參考設計。其中許多已經在實驗室中進行了測試和驗證，使用戶能夠從現有的經過驗證的示例之一開始新設計。此外，用戶可以保存他們的設計并構建用戶解決方案庫以備將來使用。

圖9.現有的解決方案庫為未來的設計提供了一個良好的起點

“同步發布”提供高安全性更新

LTpowerCAD II設計工具是基于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的設計工具相比，LTpowerCAD可以利用功能強大的本地PC的全部功能和資源，而不受共享互聯網和計算機資源或數據安全問題的限制。安裝后，用戶不需要互聯網連接即可運行該程序。但是，用戶可以定期單擊程序啟動頁面上的“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

LTpowerCAD設計工具提供了一種功能強大、易于使用的方法，可通過五個簡單的步驟設計新電源的關鍵參數。其標準和用戶解決方案庫使設計人員能夠利用許多現有設計。設計結果可以輕松導出，用于LTspice仿真，以進行詳細的性能評估。還有許多本文未提及的詳細功能。[3] 總之，LTpowerCAD設計工具可幫助系統工程師快速設計出新的解決方案，并獲得良好的結果和最少的工作量和時間。

審核編輯：郭婷