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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

步骤 3━电源效率和功耗优化

用户可以点击“Loss Estimation and Breakdown”选项卡,进入下一个步骤,以优化电源效率和功耗。如图 5 所示,用户选定 MOSFET 并点击“update”软键后,程序就会给出在给定输入电压时电源效率和功耗随负载电流变化的曲线,该曲线可能随着 VIN滑动条的变化而变化。详细的功耗数字饼图可进一步帮助用户了解和调整设计参数和组件,以最大限度降低某些情况下的功耗,优化总体效率。

图 5:设计步骤 3:优化效率和功耗
图 5:设计步骤 3:优化效率和功耗

LTpowerCAD功耗估算基于很多组件模型和方程。这包括功率 MOSFET、电感器、电容器和 IC 栅极驱动器的功耗。不过,要获得实时结果,器件功耗模型使用的是简化的行为模型,而不是复杂的物理模型。请注意,在LTpowerCAD中,还没有电感器 AC 功耗的模型,但是用户可以选择输入这个功耗值。因此,估计的效率有可能比实际硬件效率高几个百分点。即使如此,这个工具程序仍然提供了一种实时、快速的估算方法,可帮助用户选择和比较各种不同的可选组件,尤其是电感器和功率 MOSFET。

步骤 4━反馈环路设计和瞬态优化

下一步是设计电压反馈环路以及以良好的稳定性裕度优化负载瞬态性能。这一步常常被看作是最具挑战性的电源设计任务之一。LTpowerCAD设计工具使这个任务变得简单和容易了。

图 6 显示了环路和瞬态设计页面。环路增益的波德图可以实时调节,以通过调整补偿 R/C 值,实现所希望的环路带宽和相位裕度。详细的环路设计概念在参考资料中给出。就一个开关模式电源转换器而言,通常建议在交叉频率上有超过 45 度甚至 60 度的相位裕度,在 1/2 电源开关频率fSW上有至少 8dB 增益衰减。页面中有很多选项卡,其中有一个选项卡提供电源输出阻抗图,以向用户提供更多环路设计细节。负载瞬态图可供用户定义负载步进大小和电流转换率。用户可以针对给定设计“冻结曲线”,然后改变设计值或组件选择,产生另外的设计,并在这些设计之间进行比较,以获得最佳结果。

图 6:设计步骤 4:反馈环路和负载瞬态设计
图 6:设计步骤 4:反馈环路和负载瞬态设计

就给定负载瞬态条件 (负载电流步进大小和转换率) 和 VOUT过冲/下冲目标限制而言,用户可以调节环路,检查环路带宽、稳定性和瞬态性能。如果瞬态性能仍然不能满足目标,那么用户可以提高输出电容器 (包括大容量电容器和陶瓷电容器),然后重新调节环路,直到满足设计目标为止。既然LTpowerCAD负载瞬态图是从小信号模型中得出的,速度非常快,但仅是一阶近似的。因此,有必要留出足够 (20% 至 30%) 的瞬态设计裕度。

为了保证环路设计准确度,每个LTpowerCAD设计工具在发布之前,我们的工程师对其在凌力尔特的标准演示电路板和环路测量上进行试验台验证。不过,在用户的设计中,设计结果可能受到组件寄生值变化的影响,例如不准确的电容器 ESR 值。因此,用户有必要通过原型测试验证其最终设计。

步骤 5━附有 BOM 和 PCB 尺寸的总结报告

在最后这个步骤中,用户可以进入总结页面,该页面提供设计性能总结 (图 7) 以及简要的电源组件材料单 (BOM) 和组件总体占板面积的粗略估计。总结报告也可以打印出来。

图 7:设计步骤 5:总结、BOM 和设计方案尺寸
图 7:设计步骤 5:总结、BOM 和设计方案尺寸

(可选) 步骤 6 ━输出到LTspice仿真程序中

这个步骤是可选的,将LTpowerCAD设计结果输出到LTspice仿真文件中,以进行实时仿真,详细检查电源稳定状态、瞬态波形和性能。在LTpowerCAD原理图页面点击LTspice软键,将LTpowerCAD中的关键设计参数输出到LTspice仿真电路中,就可以完成这个步骤 (图 8)。

图 8:可选的步骤 6:输出到LTspice电路以进行仿真
图 8:可选的步骤 6:输出到LTspice电路以进行仿真

设计方案库

LTpowerCAD设计方案库是一个重要功能,可帮助用户快速获得最终设计和很好的结果。如图 9 所示,在主原理图页面,通过点击“Solution Library”软键,用户可以发现很多针对特定凌力尔特产品的已有设计。这些设计可能是凌力尔特的标准演示电路板、数据表电路或参考设计。这些设计中很多都经过实验室测试和验证,从而使用户能够从一个经过验证的已有样例开始新的设计。此外,用户可以保存自己的设计,建立自己的设计方案库,以备日后使用。

图 9:已有设计方案库为将来的设计提供了一个良好的起点
图 9:已有设计方案库为将来的设计提供了一个良好的起点

“与新发布同步”更新,安全性更高

LTpowerCAD II 设计工具是基于Microsoft Windows PC 的程序。用户可以下载该程序,将其安装在本地 PC 中。与基于 Web 的设计工具相比,LTpowerCAD可以利用强大的本地 PC之所有功能和资源,而且不会受到互联网和电脑资源共享的限制,也不需要担心数据安全性问题。安装完成后,用户不需要互联网连接,就可以运行程序。而且,用户还可以定期点击程序起始页面上的“SYNC RELEASE”软键,检查程序更新,例如新工具和新功能,而无需安装新的LTpowerCAD。

总结

LTpowerCAD设计工具提供了一种强大、易用的方法,可通过 5 个简便的步骤为新的电源设计关键参数。其标准设计方案库和用户设计方案库使设计师能够利用很多已有设计。设计结果可以非常容易地输出到LTspice中以进行仿真,进而详细评估性能。LTpowerCAD还有很多更细致的功能,本文尚未提及(请查阅参考资料)。总之,LTpowerCAD设计工具可帮助系统工程师快速设计新的设计方案,并取得很好的结果,而且能够最大限度减少所需工作量和时间。


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