Henry Zhang

如今，系统主板的电源轨和电源数量不断增加。由于解决方案尺寸、效率、热和瞬态性能对于高级电源解决方案都至关重要，因此为特定应用设计定制的板载电源解决方案比使用商用电源模块更高效、更具成本效益。对于系统工程师来说，设计和优化开关模式电源正成为一项越来越常见和必要的任务。不幸的是，这项任务通常非常耗时且技术上具有挑战性。

为了简化设计任务并提高设计质量和生产率，LTpowerCAD分析仪™程序由凌力尔特的电源应用专家开发，作为电源设计和优化工具。本文解释了如何通过几个简单的步骤对开关模式电源关键参数进行“纸面设计”，并取得良好的效果。

(资料图片)

“纸张设计”可能既困难又耗时

为了设计和优化板载电源，传统的“纸质设计”方法可能既困难又耗时。定义电源规格后，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转换器或用于升压应用的升压转换器。接下来，工程师需要根据过去的经验或网络搜索工具选择电源管理IC。之后，工程师需要根据自己的知识或供应商的数据手册公式计算功率元件值。然后是从数千种器件中选择功率元件，例如电感电容器和MOSFET。下一步是估算电源效率和功率损耗，同时确保组件热应力是可接受的。这还不是故事的结局——环路补偿设计是另一项具有挑战性的任务，因为它需要复杂的电路建模和超出IC数据手册的参数值。最后， 绘制原理图并发送原型PCB板进行制造.现在是时候让工程师给电路板上电了，以确保没有振荡输出或过热。对于没有经验的电源设计人员来说，这个设计过程是一个具有挑战性的过程。即使对于经验丰富的电源设计人员，传统的“纸张设计”方法和试错法也既费时又困难，而且不准确，缺乏最佳结果。这可能需要数小时、数天甚至更长时间。

LTpowerCAD设计工具简化了任务

为了节省用户时间和精力，并实现高质量的设计解决方案，凌力尔特的电源应用专家开发了LTpowerCAD设计工具。该设计工具提供了一种系统而简单的方法，可以通过五个简单的步骤来设计电源的关键参数：（1）输入电源规格并选择解决方案;（2）借助自动预警优化功率级组件;（3）优化供电效率和功率损耗;（4）设计回路补偿，优化负载瞬变;（5） 生成包含物料清单和PCB尺寸估算的摘要报告。图1显示了使用LTpowerCAD设计工具的设计流程。

图1.使用 LTpowerCAD 设计工具通过五个简单步骤设计电源

有许多现有的设计示例，包括LTpowerCAD解决方案库中的凌力尔特演示板和数据手册电路。用户还可以使用此工具保存他们的设计来构建自己的解决方案库。工程师可以利用此类解决方案，并将其用作未来电源设计的快速起点。此外，LTpowerCAD设计可以导出为LTspice仿真电路，以检查时域电源波形和瞬态性能。®

使用这些强大的工具，系统工程师可以在几分钟内完成高质量的电源电路设计，而不是几天中的几小时，并获得良好的结果。大大缩短了首次原型制作的时间。

LTpowerCAD设计步骤和示例

让我们通过LTpowerCAD设计示例来研究详细的设计步骤。例如，工程师需要设计一个输入为10.8V至13.2V （12V ±10%）、输出为1.0V、电流高达20A的板载电源。这是一个典型的同步降压转换器

步骤#1 –搜索电源产品解决方案

第一步是寻找关键电源IC或微模块，围绕其构建解决方案。IC或微模块的选择可以来自过去的经验，也可以来自LTpowerCAD解决方案搜索页面。如图2所示，在LTpowerCAD搜索页面上，用户可以输入电源规格并选择可选功能，然后单击“搜索”软键。之后，从程序提供的列表中选择所需的部分。

在图2中，在程序提供的IC解决方案列表的最左侧，有红色的“LT”符号或绿色的“Excel”符号。红色LT符号表示LTpowerCAD设计工具可用于该器件。绿色的“Excel”符号表示可以使用基于 Microsoft Excel 电子表格的设计工具。如果两个符号均为灰色，则表示该零件尚无设计工具。

在本例中，为本 3833V 选择了 LTC12 电流模式降压型控制器在至 1V/20A 输出电源。它的设计工具可以通过单击红色的“LT”符号打开。

图2.设计步骤 1：搜索电源解决方案

步骤#2 –功率级设计

第二步是设计和选择功率级元件，如功率电感器、输入和输出电容、电流检测元件和功率MOSFET。要设计电源，用户通常需要从开关频率开始，f西 南部，然后选择功率电感器，然后选择输入和输出电容器。功率MOSFET可以在步骤3中选择/优化。

打开设计工具后，如图3所示，主原理图页面在关键元件旁边显示设计参数值。在此页面上，设计值位于具有两种不同背景颜色的单元格（文本框）中。黄色表示电池中的值来自设计规范，或者由LTpowerCAD工具计算/推荐。用户无法直接编辑这些值。蓝色表示单元格中的值是用户的设计选择。用户可以直接访问和编辑这些值。

图3.设计步骤 2 – 包含原理图和关键参数值的功率级设计页面

对于电感纹波电流等关键电路参数，该程序对每个器件都有内置限制。如图 4 所示，如果用户的设计值超出限制，程序会提供自动警告，将橙色单元格颜色显示为较弱的“软”警告，或将红色单元格颜色显示为较强的“硬”警告，以提醒和指导用户检查值并调整设计。内置限制/警告的值是应用专家为相关产品设置的建议。需要注意的是，由于它是一种模拟解决方案，因此有时只要用户理解警告并对所选设计值充满信心，就可以接受带有警告的设计。

图4.自动警告引导用户选择正确的设计值

在此LTpowerCAD原理图页面上，只需单击鼠标即可从内置库中选择所有功率组件，例如电感器、电容器和FET。在撰写本文时，有许多流行供应商的五千多个组件，并且经常添加更多组件。用户还可以输入新组件的关键参数，以在本地PC上构建自己的组件库。

在这个12V的例子中在对于 1V/20A 降压电源，开关频率设定为 500kHz。因此，计算0.23μH电感值，以获得DCI上40%的峰峰值电感电流纹波O（最大值）.从电感库中选择一个0.22μH/1.1mΩ电感。在本例中，电感绕组直流电阻（DCR）用于电流检测。应检查电流检测网络值，以确定电流检测信号和电流限制设置是否正确。如果交流电流检测信号太弱，这可能会导致潜在的信噪比问题，或者电流限制水平低于目标值，程序会显示警告。应选择输入电容，使其满足RMS额定电流，导通损耗最小。选择输出电容器以最小化输出电压纹波和瞬态过冲/下冲。它们将在环路补偿和负载瞬态设计阶段的后期最终确定。下一步将选择功率MOSFET，以进行效率和损耗估算和优化。

步骤#3 –电源效率和损耗优化

用户可以通过单击“损耗估算和击穿”选项卡进入下一步，以优化电源效率和功率损耗。如图5所示，用户选择MOSFET并单击“更新”软键后，将提供给定输入电压的电源效率和功率损耗与负载电流的关系图，该图可通过V改变在滑动杆。详细的功率损耗细分饼图进一步为用户提供了理解和调整设计参数和组件的能力，以最大限度地减少某些损耗并优化整体效率。

图5.设计步骤 3 – 优化效率和功率损耗

LTpowerCAD损耗估算基于许多组件模型和公式。它包括功率 MOSFET、电感器、电容器和 IC 栅极驱动器的损耗。但是，为了实现实时结果，设备丢失模型是简化的行为模型，而不是复杂的物理模型。请注意，电感交流损耗尚未在LTpowerCAD中建模，但用户可以选择输入其值。因此，估计的效率可能比实际硬件效率高几个百分点。即便如此，该工具仍提供快速的实时估算，帮助用户选择和比较各种设计选择，尤其是电感和功率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，并以良好的稳定性裕度优化负载瞬态性能。这通常被视为最具挑战性的电源设计任务之一。LTpowerCAD设计工具使它变得简单明了。

图6显示了环路和瞬态设计页面。环路增益波特图可以实时调整，通过调整补偿R/C值来实现所需的环路带宽和相位裕量。详细的环路设计概念在参考文献 [2] 中进行了解释。对于开关模式电源转换器，通常建议在交越频率处具有超过45度甚至60度的相位裕量，并且在电源开关频率fSW的一半处具有至少8dB的增益衰减。有多个选项卡，其中一个用于电源输出阻抗图，为用户提供更多环路设计细节。负载瞬态图针对用户定义的负载步长和电流压摆率提供。用户可以“冻结图”给定设计，然后更改设计值或组件选择，以与替代设计进行比较以获得最佳结果。

图6.设计步骤4 – 反馈回路和负载瞬态设计

对于给定的负载瞬态条件（负载电流步长和压摆率）和 V外过冲/下冲目标限制，用户可以调整环路并检查环路带宽、稳定性和瞬态性能。如果瞬态性能仍然达不到目标，用户可以增加输出电容（包括大容量电容和陶瓷电容），然后重新调整环路，直到达到设计目标。由于LTpowerCAD负载瞬态图是从小信号模型得出的，因此它们非常快，但只是一阶近似值。因此，有必要留出足够的（20%至30%）瞬态设计裕量。

为了保证环路设计精度，每个LTpowerCAD设计工具都经过凌力尔特标准演示板上的台架验证，并在工具发布之前由线性工程师进行环路测量。但是，在用户设计中，结果可能会受到元件寄生值变化的影响，例如电容ESR值不准确。因此，用户有必要通过原型测试来验证其最终设计。

步骤#5 –包含BOM和大小的摘要

最后一步，用户可以进入摘要页面，该页面提供设计性能摘要，以及电源组件的简要物料清单（BOM）列表和总组件封装尺寸的粗略估计。还可以打印摘要报告。

（可选）步骤#6 –导出到LTspice仿真

有一个可选步骤将LTpowerCAD设计导出到LTspice仿真文件以进行实时仿真，以检查详细的电源稳态和瞬态波形及性能。这可以通过单击LTpowerCAD原理图页面上的LTspice软键来完成，以将LTpowerCAD中的关键设计参数导出到LTspice仿真电路。

图7.设计步骤 5 – 设计摘要、BOM 和尺寸

图8.可选步骤6 – 导出至LTspice电路仿真

设计解决方案库

LTpowerCAD设计解决方案库是一项重要功能，可帮助用户快速获得最终设计并获得良好的结果。如图 9 所示，在原理图主页面上，通过单击“解决方案库”软键，用户可以找到给定凌力尔特产品的许多现有设计。这些设计可以是凌力尔特的标准演示板、数据手册电路和参考设计。其中许多已经在实验室中进行了测试和验证，使用户能够从现有的经过验证的示例之一开始新设计。此外，用户可以保存他们的设计并构建用户解决方案库以备将来使用。

图9.现有的解决方案库为未来的设计提供了一个良好的起点

“同步发布”提供高安全性更新

LTpowerCAD II设计工具是基于Microsoft Windows PC的程序。用户可以下载该程序并将其安装在本地PC上。与基于Web的设计工具相比，LTpowerCAD可以利用功能强大的本地PC的全部功能和资源，而不受共享互联网和计算机资源或数据安全问题的限制。安装后，用户不需要互联网连接即可运行该程序。但是，用户可以定期单击程序启动页面上的“SYNC RELEASE”键来检查程序更新，例如新工具和功能，而无需安装新的LTpowerCAD。

总结

LTpowerCAD设计工具提供了一种功能强大、易于使用的方法，可通过五个简单的步骤设计新电源的关键参数。其标准和用户解决方案库使设计人员能够利用许多现有设计。设计结果可以轻松导出，用于LTspice仿真，以进行详细的性能评估。还有许多本文未提及的详细功能。[3] 总之，LTpowerCAD设计工具可帮助系统工程师快速设计出新的解决方案，并获得良好的结果和最少的工作量和时间。

审核编辑：郭婷