在如今的系統(tǒng)電路板上，電壓軌及電源數量越來越多。對于先進的電源設計方案而言，尺寸、效率、熱性能和瞬態(tài)性能都是至關重要的，那么為特定應用設計定制的內置電源設計方案，而不是使用商用電源磚，效率會更高，也會有更佳的成本效益。對系統(tǒng)工程師而言，設計和優(yōu)化開關模式電源已變得越來越常見，而且也成了必要的任務。不幸的是，這種任務常常耗費大量時間，技術上也很有挑戰(zhàn)性。

　　為了簡化這種設計任務，提高設計質量和生產率，凌力爾特公司的電源應用專家開發(fā)了電源設計和優(yōu)化工具LTpowerCAD程序。本文介紹了怎樣通過幾個簡便的步驟，進行開關模式電源關鍵參數的“紙上設計”，并得到很好的設計結果。

　　“紙上設計”可能非常難且耗費大量時間

　　要設計和優(yōu)化一個內置電源，傳統(tǒng)的“紙上設計”方法可能非常難，且耗費大量時間。在定義完電源性能規(guī)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型轉換器，或用于升壓應用的升壓型轉換器。其次，工程師需要選擇電源管理 IC，選擇時或者基于過去的經驗，或者在網上搜索可用工具。然后，工程師需要基于自己的知識或廠商在數據表中所提供的公式來計算電源組件的值。接下來是從成千上萬種器件中選出電源組件，例如電感器、電容器和 MOSFET。下一步是估計電源效率和功耗，同時確保組件的熱量負擔是可接受的。到這里還沒完，環(huán)路補償設計是另一個富有挑戰(zhàn)性的任務，因為完成這種任務需要復雜的電路模型和 IC 數據表不提供的參數值。最后，畫出原理圖，并將原型 PCB 電路板送去生產。現在，到了工程師給電路板加電的時候了，在這一步，工程師要確保沒有振蕩輸出或過熱問題。對于一位經驗不足的電源設計師而言，上述設計流程是很有挑戰(zhàn)性的。即使是經驗豐富的電源設計師，傳統(tǒng)的“紙上設計”方法和實驗及排錯方法也是很難的，且要耗費大量時間，結果也不夠準確，往往得不到最佳結果。它可能需要數小時，數天或甚至更長的時間。

　　LTpowerCAD設計工具簡化設計任務

　　為了幫助用戶節(jié)省時間、減少工作量并實現高質量設計方案，凌力爾特公司的電源應用專家開發(fā)了LTpowerCAD設計工具。這款設計工具提供了一種系統(tǒng)化和簡便的方法，可通過 5 個簡便的步驟設計關鍵的電源參數：（1） 輸入電源規(guī)格參數，選擇一個設計方案；（2） 在自動提示信息的幫助下優(yōu)化電源級參數；（3） 優(yōu)化電源效率和功耗；（4） 設計環(huán)路補償和優(yōu)化負載瞬態(tài)；（5） 產生附有 BOM 和 PCB 尺寸估計數字的總結報告。圖 1 顯示了使用LTpowerCAD設計工具的設計流程。

　　圖 1：采用LTpowerCAD設計工具，通過 5 個簡便的步驟設計電源

　　有很多已有設計實例，包括凌力爾特在LTpowerCAD設計方案庫中的演示電路板和數據表電路。用戶還可以用LTpowerCAD保存自己的設計，以建立自己的設計方案庫。工程師可以使用這類設計方案，為未來的電源設計快速找到一個起點。此外，LTpowerCAD設計還可以作為LTspice？仿真電路輸出，以檢查時間域電源波形和瞬態(tài)性能。

　　憑借這些強大的工具，系統(tǒng)工程師可以在幾分鐘、而不是幾小時或幾天完成一個高質量電源電路設計，且獲得很好的結果。產生第一個原型電路板的時間大大減少了。

　　LTpowerCAD設計步驟和例子

　　下面我們用一個LTpowerCAD設計例子詳細介紹一下這些設計步驟。例如，一位工程師需要設計一個內置電源，輸入范圍為 10.8V 至 13.2V （12V ±10%），輸出為 1.0V，電流最大為 20A。這是一個典型的同步降壓型轉換器。

　　步驟 1━搜索電源產品設計方案

　　第一步是搜索關鍵電源 IC 或微型模塊，這是設計方案的核心。可以依靠過去的經驗選擇 IC 或微型模塊 （μModule？），也可以進入LTpowerCAD設計方案搜索頁面尋找。如圖 2 所示，在LTpowerCAD搜素頁面，用戶可以輸入電源規(guī)格參數，選擇可選功能，然后點擊“搜索”軟鍵。之后，從該程序提供的列表中選出想要的器件。

　　圖 2：設計步驟 1：搜索電源設計方案

　　在圖 2 中，程序提供的 IC 設計方案列表的最左邊，是紅色的“LT”符號或綠色的“Excel”符號。紅色“LT”符號意味著，LTpowerCAD設計工具可用于該器件。綠色 “Excel”符號意味著，基于Microsoft Excel電子表格的設計工具可用。如果這兩種符號均為灰色，則意味著該器件還沒有適用的設計工具。

　　在這個例子中，為 12VIN至 1V/20A 輸出的電源選出了 LTC3833 電流模式降壓型控制器。點擊紅色“LT”符號，就可以打開其設計工具。

　　步驟 2━電源級設計

　　第二步是設計和選擇電源級組件，例如功率電感器、輸入和輸出電容器、電流檢測組件、以及功率 MOSFET。設計電源時，用戶通常需要從開關頻率fSW著手，然后選擇功率電感器，之后選擇輸入和輸出電容器。功率 MOSFET 可以在第三步進行選擇/優(yōu)化。

　　如圖 3 所示，設計工具打開后，顯示主原理圖頁面，在關鍵組件旁邊是設計參數值。在這個頁面上，設計參數值位于單元格 （文本框） 中，有兩種不同的背景顏色。黃色表明，單元格中的值或者來自設計規(guī)格，或者是由LTpowerCAD工具計算/推薦的。用戶不能直接編輯這些值。藍色表明，單元格中的值是用戶的設計選擇。用戶可以直接存取和編輯這些值。

　　圖 3：設計步驟 2：電源級設計頁面，提供原理圖和關鍵參數值

　　對于關鍵電路參數 （例如： 電感器紋波電流），程序為每個器件提供了內置限制。如圖 4 所示，如果用戶設計的值超出了該限制，那么程序就自動發(fā)出警報，用橘黃單元格顏色顯示較弱的“軟”警報，或者用紅色單元格顏色顯示較強的“硬”警報，以此提醒和指導用戶檢查該值并調整設計。內置的限制/警報門限值是應用專家針對相關產品設定的建議值。有必要提到的一點是，因為這是模擬設計方案，那么有時即使有警報，設計也是可接受的，只要用戶了解他們并確信與所選擇的設計值。

　　圖 4：自動發(fā)出的警報指導用戶選擇恰當的設計值

　　在這個LTpowerCAD原理圖頁面，所有電源組件 （例如： 電感器、電容器和 FET） 都可以從內置的庫中選擇，只需點擊鼠標即可。截至本文撰寫時為止，庫中已包含由很多廣受歡迎的廠商提供超過 5，000 種組件，而且還會經常添加更多組件。用戶還可以輸入一個新組件的關鍵參數，在本地 PC 上建立自己的組件庫。

　　在這個 12VIN至 1V/20A 降壓型電源例子中，開關頻率設定為 500kHz。因此，要在 DC IO（max）上實現 40% 峰值至峰值電感器電流紋波，那么經計算得出的電感器值為0.23μH。從電感器庫中選出一個0.22μH/1.1mΩ的電感器。在這個例子中，電感器繞組的 DC 電阻 （DCR） 用于電流檢測。應該檢查電流檢測網絡的值，以恰當地設定電流檢測信號和電流限制。如果 AC 電流檢測信號太弱，程序就會發(fā)出警報，因為這有可能導致信噪比問題，或者，如果電流限制值低于目標值，程序也會發(fā)出警報。選擇輸入電容器時，應該滿足 RMS 電流額定值且具備最低的傳導損耗。選擇輸出電容器時，要最大限度減小輸出電壓紋波和瞬態(tài)過沖/下沖。在稍后的環(huán)路補償和負載瞬態(tài)設計階段，這些電容器會最終確定下來。功率 MOSFET 將在下一步中選擇，以實現高效率、估算功耗并進行優(yōu)化。