在现在的体系电路板上，电压轨及电源数量越来越多。关于先进的电源规划计划而言，尺度、功率、热功用和瞬态功用都是至关重要的，那么为特定运用规划定制的内置电源规划计划，而不是运用商用电源砖，功率会更高，也会有更佳的本钱效益。对体系工程师而言，规划和优化开关形式电源已变得越来越常见，并且也成了必要的使命。不幸的是，这种使命常常消耗许多时刻，技术上也很有挑战性。
为了简化这种规划使命，进步规划质量和出产率，凌力尔特公司的电源运用专家开发了电源规划和优化东西LTpowerCAD程序。本文介绍了怎样通过几个简洁的过程，进行开关形式电源要害参数的“纸上规划”，并得到很好的规划成果。
“纸上规划”或许十分难且消耗许多时刻
要规划和优化一个内置电源，传统的“纸上规划”办法或许十分难，且消耗许多时刻。在界说完电源功用规范后，工程师首要需求挑选转换器拓扑，例如用于降压运用的降压型转换器，或用于升压运用的升压型转换器。其次，工程师需求挑选电源办理 IC，挑选时或许根据曩昔的经历，或许在网上查找可用东西。然后，工程师需求根据自己的常识或厂商在数据表中所供给的公式来核算电源组件的值。接下来是从不计其数种器材中选出电源组件，例如电感器、电容器和 MOSFET。下一步是估量电源功率和功耗，一起确保组件的热量负担是可接受的。到这儿还没完，环路补偿规划是另一个赋有挑战性的使命，由于完结这种使命需求杂乱的电路模型和 IC 数据表不供给的参数值。终究，画出原理图，并将原型PCB 电路板送去出产。现在，到了工程师给电路板加电的时分了，在这一步，工程师要确保没有振动输出或过热问题。关于一位经历不足的电源规划师而言，上述规划流程是很有挑战性的。即便是经历丰富的电源规划师，传统的“纸上规划”办法和试验及排错办法也是很难的，且要消耗许多时刻，成果也不行精确，往往得不到最佳成果。它或许需求数小时，数天或乃至更长的时刻。
LTpowerCAD规划东西简化规划使命
为了协助用户节省时刻、削减工作量并完结高质量规划计划，凌力尔特公司的电源运用专家开发了LTpowerCAD规划东西。这款规划东西供给了一种体系化和简洁的办法，可通过 5 个简洁的过程规划要害的电源参数：(1) 输入电源规范参数，挑选一个规划计划;(2) 在主动提示信息的协助下优化电源级参数;(3) 优化电源功率和功耗;(4) 规划环路补偿和优化负载瞬态;(5) 发生附有 BOM 和 PCB 尺度估量数字的总结报告。图 1 显现了运用LTpowerCAD规划东西的规划流程。
图 1：选用LTpowerCAD规划东西，通过 5 个简洁的过程规划电源
有许多已有规划实例，包含凌力尔特在LTpowerCAD规划计划库中的演示电路板和数据表电路。用户还可以用LTpowerCAD保存自己的规划，以树立自己的规划计划库。工程师可以运用这类规划计划，为未来的电源规划快速找到一个起点。此外，LTpowerCAD规划还可以作为LTspice?仿真电路输出，以查看时刻域电源波形和瞬态功用。
凭仗这些强壮的东西，体系工程师可以在几分钟、而不是几小时或几天完结一个高质量电源电路规划，且获得很好的成果。发生第一个原型电路板的时刻大大削减了。
LTpowerCAD规划过程和比如
下面咱们用一个LTpowerCAD规划比如具体介绍一下这些规划过程。例如，一位工程师需求规划一个内置电源，输入规模为 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。
过程 1━查找电源产品规划计划
第一步是查找要害电源 IC 或微型模块，这是规划计划的中心。可以依托曩昔的经历挑选 IC 或微型模块 (μModule?)，也可以进入LTpowerCAD规划计划查找页面寻觅。如图 2 所示，在LTpowerCAD搜素页面，用户可以输入电源规范参数，挑选可选功用，然后点击“查找”软键。之后，从该程序供给的列表中选出想要的器材。
图 2：规划过程 1：查找电源规划计划
在图 2 中，程序供给的 IC 规划计划列表的最左面，是赤色的“LT”符号或绿色的“Excel”符号。赤色“LT”符号意味着，LTpowerCAD规划东西可用于该器材。绿色“Excel”符号意味着，根据Microsoft Excel电子表格的规划东西可用。假如这两种符号均为灰色，则意味着该器材还没有适用的规划东西。
在这个比如中，为 12VIN至 1V/20A 输出的电源选出了 LTC3833 电流形式降压型控制器。点击赤色“LT”符号，就可以翻开其规划东西。
过程 2━电源级规划
第二步是规划和挑选电源级组件，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。规划电源时，用户一般需求从开关频率fSW着手，然后挑选功率电感器，之后挑选输入和输出电容器。功率 MOSFET 可以在第三步进行挑选/优化。
如图 3 所示，规划东西翻开后，显现主原理图页面，在要害组件周围是规划参数值。在这个页面上，规划参数值坐落单元格 (文本框) 中，有两种不同的布景色彩。黄色标明，单元格中的值或许来自规划规范，或许是由LTpowerCAD东西核算/引荐的。用户不能直接修改这些值。蓝色标明，单元格中的值是用户的规划挑选。用户可以直接存取和修改这些值。
图 3：规划过程 2：电源级规划页面，供给原理图和要害参数值
关于要害电路参数 (例如: 电感器纹波电流)，程序为每个器材供给了内置约束。如图 4 所示，假如用户规划的值超出了该约束，那么程序就主动宣布警报，用橘黄单元格色彩显现较弱的“软”警报，或许用赤色单元格色彩显现较强的“硬”警报，以此提示和辅导用户查看该值并调整规划。内置的约束/警报门限值是运用专家针对相关产品设定的主张值。有必要说到的一点是，由于这是模仿规划计划，那么有时即便有警报，规划也是可接受的，只需用户了解他们并坚信与所挑选的规划值。
图 4：主动宣布的警报辅导用户挑选恰当的规划值
在这个LTpowerCAD原理图页面，一切电源组件 (例如: 电感器、电容器和 FET) 都可以从内置的库中挑选，只需点击鼠标即可。到本文编撰时停止，库中已包含由许多广受欢迎的厂商供给超越 5,000 种组件，并且还会常常增加更多组件。用户还可以输入一个新组件的要害参数，在本地 PC 上树立自己的组件库。
在这个 12VIN至 1V/20A 降压型电源比如中，开关频率设定为 500kHz。因而，要在 DC IO(max)上完结 40% 峰值至峰值电感器电流纹波，那么经核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。在这个比如中，电感器绕组的 DC 电阻 (DCR) 用于电流检测。应该查看电流检测网络的值，以恰当地设定电流检测信号和电流约束。假如 AC 电流检测信号太弱，程序就会宣布警报，由于这有或许导致信噪比问题，或许，假如电流约束值低于方针值，程序也会宣布警报。挑选输入电容器时，应该满意 RMS 电流额定值且具有最低的传导损耗。挑选输出电容器时，要最大极限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规划阶段，这些电容器会终究确认下来。功率 MOSFET 将在下一步中挑选，以完结高功率、预算功耗并进行优化。
过程 3━电源功率和功耗优化
用户可以点击“Loss Estimation and Breakdown”选项卡，进入下一个过程，以优化电源功率和功耗。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功率和功耗随负载电流改动的曲线，该曲线或许跟着 VIN滑动条的改动而改动。具体的功耗数字饼图可进一步协助用户了解和调整规划参数和组件，以最大极限下降某些情况下的功耗，优化整体功率。
图 5：规划过程 3：优化功率和功耗
LTpowerCAD功耗预算根据许多组件模型和方程。这包含功率 MOSFET、电感器、电容器和 IC 栅极驱动器的功耗。不过，要获得实时成果，器材功耗模型运用的是简化的行为模型，而不是杂乱的物理模型。请注意，在LTpowerCAD中，还没有电感器 AC 功耗的模型，可是用户可以挑选输入这个功耗值。因而，估量的功率有或许比实践硬件功率高几个百分点。即便如此，这个东西程序依然供给了一种实时、快速的预算办法，可协助用户挑选和比较各种不同的可选组件，尤其是电感器和功率 MOSFET。
过程 4━反应环路规划和瞬态优化
下一步是规划电压反应环路以及以杰出的安稳性裕度优化负载瞬态功用。这一步常常被看作是最具挑战性的电源规划使命之一。LTpowerCAD规划东西使这个使命变得简略和简单了。
图 6 显现了环路和瞬态规划页面。环路增益的波德图可以实时调理，以通过调整补偿 R/C 值，完结所期望的环路带宽和相位裕度。具体的环路规划概念在参阅资料中给出。就一个开关形式电源转换器而言，一般主张在穿插频率上有超越 45 度乃至 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。页面中有许多选项卡，其中有一个选项卡供给电源输出阻抗图，以向用户供给更多环路规划细节。负载瞬态图可供用户界说负载步进巨细和电流转换率。用户可以针对给定规划“冻住曲线”，然后改动规划值或组件挑选，发生别的的规划，并在这些规划之间进行比较，以获得最佳成果。
图 6：规划过程 4：反应环路和负载瞬态规划
就给定负载瞬态条件 (负载电流步进巨细和转换率) 和 VOUT过冲/下冲方针约束而言，用户可以调理环路，查看环路带宽、安稳性和瞬态功用。假如瞬态功用依然不能满意方针，那么用户可以进步输出电容器 (包含大容量电容器和陶瓷电容器)，然后从头调理环路，直到满意规划方针停止。已然LTpowerCAD负载瞬态图是从小信号模型中得出的，速度十分快，但仅是一阶近似的。因而，有必要留出满足 (20% 至 30%) 的瞬态规划裕度。
为了确保环路规划精确度，每个LTpowerCAD规划东西在发布之前，咱们的工程师对其在凌力尔特的规范演示电路板和环路丈量上进行试验台验证。不过，在用户的规划中，规划成果或许遭到组件寄生值改动的影响，例如不精确的电容器 ESR 值。因而，用户有必要通过原型测验验证其终究规划。
过程 5━附有 BOM 和 PCB 尺度的总结报告
在终究这个过程中，用户可以进入总结页面，该页面供给规划功用总结 (图 7) 以及扼要的电源组件材料单 (BOM) 和组件整体占板面积的大略估量。总结报告也可以打印出来。
图 7：规划过程 5：总结、BOM 和规划计划尺度
(可选) 过程 6 ━输出到LTspice仿真程序中
这个过程是可选的，将LTpowerCAD规划成果输出到LTspice仿真文件中，以进行实时仿真，具体查看电源安稳状况、瞬态波形和功用。在LTpowerCAD原理图页面点击LTspice软键，将LTpowerCAD中的要害规划参数输出到LTspice仿真电路中，就可以完结这个过程 (图 8)。
图 8：可选的过程 6：输出到LTspice电路以进行仿真
规划计划库
LTpowerCAD规划计划库是一个重要功用，可协助用户快速获得终究规划和很好的成果。如图 9 所示，在主原理图页面，通过点击“Solution Library”软键，用户可以发现许多针对特定凌力尔特产品的已有规划。这些规划或许是凌力尔特的规范演示电路板、数据表电路或参阅规划。这些规划中许多都通过试验室测验和验证，然后运用户可以从一个通过验证的已有样例开端新的规划。此外，用户可以保存自己的规划，树立自己的规划计划库，以备日后运用。
图 9：已有规划计划库为将来的规划供给了一个杰出的起点
“与新发布同步”更新，安全性更高
LTpowerCAD II 规划东西是根据Microsoft Windows PC 的程序。用户可以下载该程序，将其装置在本地 PC 中。与根据 Web 的规划东西比较，LTpowerCAD可以使用强壮的本地 PC之一切功用和资源，并且不会遭到互联网和电脑资源共享的约束，也不需求忧虑数据安全性问题。装置完结后，用户不需求互联网衔接，就可以运转程序。并且，用户还可以定时点击程序起始页面上的“SYNC RELEASE”软键，查看程序更新，例如新东西和新功用，而无需装置新的LTpowerCAD。
总结
LTpowerCAD规划东西供给了一种强壮、易用的办法，可通过 5 个简洁的过程为新的电源规划要害参数。其规范规划计划库和用户规划计划库使规划师可以使用许多已有规划。规划成果可以十分简单地输出到LTspice中以进行仿真，从而具体评价功用。LTpowerCAD还有许多更详尽的功用，本文没有提及(请查阅参阅资料)。总归，LTpowerCAD规划东西可协助体系工程师快速规划新的规划计划，并获得很好的成果，并且可以最大极限削减所需工作量和时刻。
