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五个简便步骤设计开关模式电源关键参数

Henry Zhang?? 凌力尔特公司电源产品部应用工程经理?? 2016年02月26日 ?? 收藏4
在如今的系统电路板上,电压轨及电源数量越来越多。对于先进的电源设计方案而言,尺寸、效率、热性能和瞬态性能都是至关重要的,那么为特定应用设计定制的内置电源设计方案,而不是使用商用电源砖,效率会更高,也会有更佳的成本效益。对系统工程师而言,设计和优化开关模式电源已变得越来越常见,而且也成了必要的任务。不幸的是,这种任务常常耗费大量时间,技术上也很有挑战性。

为了简化这种设计任务,提高设计质量和生产率,凌力尔特公司的电源应用专家开发了电源设计和优化工具LTpowerCAD程序。本文介绍了怎样通过几个简便的步骤,进行开关模式电源关键参数的“纸上设计”,并得到很好的设计结果。

“纸上设计”可能非常难且耗费大量时间

要设计和优化一个内置电源,传统的“纸上设计”方法可能非常难,且耗费大量时间。在定义完电源性能规格后,工程师首先需要选择转换器拓扑,例如用于降压应用的降压型转换器,或用于升压应用的升压型转换器。其次,工程师需要选择电源管理 IC,选择时或者基于过去的经验,或者在网上搜索可用工具。然后,工程师需要基于自己的知识或厂商在数据表中所提供的公式来计算电源组件的值。接下来是从成千上万种器件中选出电源组件,例如电感器、电容器和 MOSFET。下一步是估计电源效率和功耗,同时确保组件的热量负担是可接受的。到这里还没完,环路补偿设计是另一个富有挑战性的任务,因为完成这种任务需要复杂的电路模型和 IC 数据表不提供的参数值。最后,画出原理图,并将原型 PCB 电路板送去生产。现在,到了工程师给电路板加电的时候了,在这一步,工程师要确保没有振荡输出或过热问题。对于一位经验不足的电源设计师而言,上述设计流程是很有挑战性的。即使是经验丰富的电源设计师,传统的“纸上设计”方法和实验及排错方法也是很难的,且要耗费大量时间,结果也不够准确,往往得不到最佳结果。它可能需要数小时,数天或甚至更长的时间。

LTpowerCAD设计工具简化设计任务

为了帮助用户节省时间、减少工作量并实现高质量设计方案,凌力尔特公司的电源应用专家开发了LTpowerCAD设计工具。这款设计工具提供了一种系统化和简便的方法,可通过 5 个简便的步骤设计关键的电源参数:(1) 输入电源规格参数,选择一个设计方案;(2) 在自动提示信息的帮助下优化电源级参数;(3) 优化电源效率和功耗;(4) 设计环路补偿和优化负载瞬态;(5) 产生附有 BOM 和 PCB 尺寸估计数字的总结报告。图 1 显示了使用LTpowerCAD设计工具的设计流程。

图 1:采用LTpowerCAD设计工具,通过 5 个简便的步骤设计电源
图 1:采用LTpowerCAD设计工具,通过 5 个简便的步骤设计电源

有很多已有设计实例,包括凌力尔特在LTpowerCAD设计方案库中的演示电路板和数据表电路。用户还可以用LTpowerCAD保存自己的设计,以建立自己的设计方案库。工程师可以使用这类设计方案,为未来的电源设计快速找到一个起点。此外,LTpowerCAD设计还可以作为LTspice?仿真电路输出,以检查时间域电源波形和瞬态性能。

凭借这些强大的工具,系统工程师可以在几分钟、而不是几小时或几天完成一个高质量电源电路设计,且获得很好的结果。产生第一个原型电路板的时间大大减少了。

LTpowerCAD设计步骤和例子

下面我们用一个LTpowerCAD设计例子详细介绍一下这些设计步骤。例如,一位工程师需要设计一个内置电源,输入范围为 10.8V 至 13.2V (12V ±10%),输出为 1.0V,电流最大为 20A。这是一个典型的同步降压型转换器。

步骤 1━搜索电源产品设计方案

第一步是搜索关键电源 IC 或微型模块,这是设计方案的核心。可以依靠过去的经验选择 IC 或微型模块 (μModule?),也可以进入LTpowerCAD设计方案搜索页面寻找。如图 2 所示,在LTpowerCAD搜素页面,用户可以输入电源规格参数,选择可选功能,然后点击“搜索”软键。之后,从该程序提供的列表中选出想要的器件。

图 2:设计步骤 1:搜索电源设计方案
图 2:设计步骤 1:搜索电源设计方案

在图 2 中,程序提供的 IC 设计方案列表的最左边,是红色的“LT”符号或绿色的“Excel”符号。红色“LT”符号意味着,LTpowerCAD设计工具可用于该器件。绿色“Excel”符号意味着,基于Microsoft Excel电子表格的设计工具可用。如果这两种符号均为灰色,则意味着该器件还没有适用的设计工具。

在这个例子中,为 12VIN至 1V/20A 输出的电源选出了 LTC3833 电流模式降压型控制器。点击红色“LT”符号,就可以打开其设计工具。

步骤 2━电源级设计

第二步是设计和选择电源级组件,例如功率电感器、输入和输出电容器、电流检测组件、以及功率 MOSFET。设计电源时,用户通常需要从开关频率fSW着手,然后选择功率电感器,之后选择输入和输出电容器。功率 MOSFET 可以在第三步进行选择/优化。

如图 3 所示,设计工具打开后,显示主原理图页面,在关键组件旁边是设计参数值。在这个页面上,设计参数值位于单元格 (文本框) 中,有两种不同的背景颜色。黄色表明,单元格中的值或者来自设计规格,或者是由LTpowerCAD工具计算/推荐的。用户不能直接编辑这些值。蓝色表明,单元格中的值是用户的设计选择。用户可以直接存取和编辑这些值。

图 3:设计步骤 2:电源级设计页面,提供原理图和关键参数值
图 3:设计步骤 2:电源级设计页面,提供原理图和关键参数值

对于关键电路参数 (例如: 电感器纹波电流),程序为每个器件提供了内置限制。如图 4 所示,如果用户设计的值超出了该限制,那么程序就自动发出警报,用橘黄单元格颜色显示较弱的“软”警报,或者用红色单元格颜色显示较强的“硬”警报,以此提醒和指导用户检查该值并调整设计。内置的限制/警报门限值是应用专家针对相关产品设定的建议值。有必要提到的一点是,因为这是模拟设计方案,那么有时即使有警报,设计也是可接受的,只要用户了解他们并确信与所选择的设计值。

图 4:自动发出的警报指导用户选择恰当的设计值
图 4:自动发出的警报指导用户选择恰当的设计值

在这个LTpowerCAD原理图页面,所有电源组件 (例如: 电感器、电容器和 FET) 都可以从内置的库中选择,只需点击鼠标即可。截至本文撰写时为止,库中已包含由很多广受欢迎的厂商提供超过 5,000 种组件,而且还会经常添加更多组件。用户还可以输入一个新组件的关键参数,在本地 PC 上建立自己的组件库。

在这个 12VIN至 1V/20A 降压型电源例子中,开关频率设定为 500kHz。因此,要在 DC IO(max)上实现 40% 峰值至峰值电感器电流纹波,那么经计算得出的电感器值为0.23μH。从电感器库中选出一个0.22μH/1.1mΩ的电感器。在这个例子中,电感器绕组的 DC 电阻 (DCR) 用于电流检测。应该检查电流检测网络的值,以恰当地设定电流检测信号和电流限制。如果 AC 电流检测信号太弱,程序就会发出警报,因为这有可能导致信噪比问题,或者,如果电流限制值低于目标值,程序也会发出警报。选择输入电容器时,应该满足 RMS 电流额定值且具备最低的传导损耗。选择输出电容器时,要最大限度减小输出电压纹波和瞬态过冲/下冲。在稍后的环路补偿和负载瞬态设计阶段,这些电容器会最终确定下来。功率 MOSFET 将在下一步中选择,以实现高效率、估算功耗并进行优化。

下一页:步骤3~5


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开关模式电源?

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