電源工程師設(shè)計(jì)全攻略（五）：電源設(shè)計(jì)工具

　　1、SIMetrix/SIMPLIS

　　SIMetrix/SIMPLIS美國(guó)Transim公司開(kāi)發(fā)的軟件包。它包含兩個(gè)仿真內(nèi)核－SIMetrix和SIMPLIS，共用一個(gè)原理圖編輯界面，界面簡(jiǎn)單，相對(duì)更容易掌握。其中SIMetrix是在SPICE和XSPICE基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的混合信號(hào)電路仿真器，它和其他SPICE類仿真軟件類似，可以精確分析電路元件工作的暫態(tài)過(guò)程。SIMPLIS是以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)的仿真內(nèi)核，它的元器件采用分段線性的建模方式，運(yùn)算效率很高，仿真速度是一般SPICE類仿真軟件的10到50倍。并可以直接進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源的小信號(hào)分析。適合于電源系統(tǒng)分析，設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

SIMetrix設(shè)計(jì)界面

　　SIMetrix SPICE本質(zhì)上和PSpice等仿真軟件相似，此外還它還提供了豐富的分析模式，以AC分析為例，標(biāo)準(zhǔn)SPICE只能進(jìn)行頻率掃描，SIMetrix SPICE可以提供5種掃描模式。例如通過(guò)對(duì)固定頻率下的放大器直流輸入電壓掃描，查看輸入偏置及其增益的關(guān)系曲線，或進(jìn)行放大器源電阻噪聲掃描分析給出優(yōu)化值等等。同時(shí)可對(duì)電路做蒙特卡羅等分析，優(yōu)化電路性能。

　　SIMPLIS是“Simulation For Piecewise Linear System”首字母縮寫(xiě)詞。專門為開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的快速建模仿真而設(shè)計(jì)。SIMPLIS對(duì)非線性器件采用分段線性建模，將一個(gè)完整的系統(tǒng)定義為線性電路拓?fù)涞难h(huán)序列，以描述開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)中半導(dǎo)體器件的開(kāi)關(guān)特性。因此可以取得很高的速度，同樣硬件配置下，其仿真速度比SPICE類軟件快10到50倍，這一特點(diǎn)是SIMPLIS在工程應(yīng)用中尤其是電源行業(yè)里與其他仿真軟件競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)所在。其缺點(diǎn)在于分段線性模型沒(méi)有利用非線性方程描述的SPICE模型精確，因此在模擬實(shí)際電路波形方面，如開(kāi)關(guān)電流，電壓尖刺等開(kāi)關(guān)暫態(tài)過(guò)程可借助SIMetrix。 SIMPLIS具有兩種獨(dú)有的分析模式，POP（Period Operating Point）分析和AC分析。POP分析是一種快速確定開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)的算法。在這種分析模式下，電路無(wú)需進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間電路啟動(dòng)瞬態(tài)仿真，就可快速確定開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。它比通常意義上的瞬態(tài)仿真快100倍以上。大幅縮短了仿真時(shí)間。 SIMPLIS另一個(gè)非常突出的特點(diǎn)是可直接對(duì)開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行小信號(hào)分析。我們知道傳統(tǒng)的靜態(tài)頻率掃描方法并不適用于開(kāi)關(guān)電路。通常設(shè)計(jì)人員需要再次解析開(kāi)關(guān)電源的狀態(tài)方程建立平均模型，建模難度較大，要求工程設(shè)計(jì)人員具備較好的拓?fù)浞治龊涂刂评碚摶A(chǔ)。SIMPLIS的AC分析不需要獲得平均模型即可得到頻域響應(yīng)，它模擬真實(shí)硬件電路的掃頻測(cè)量方法。在創(chuàng)建好的原理圖中加入AC擾動(dòng)源即可進(jìn)行小信號(hào)分析。其分析過(guò)程可簡(jiǎn)單描述為首先開(kāi)始POP分析，計(jì)算出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，然后進(jìn)行小信號(hào)掃描，得出所需頻域曲線。

　　2、PI Expert Suite

　　PI Expert 是PI公司推出的一款用于單片開(kāi)關(guān)電源的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，也稱為PI Expert專家系統(tǒng)，目前的版本是9.0。它能根據(jù)設(shè)計(jì)人員的要求，在輸入了一系列技術(shù)指標(biāo)以后，自動(dòng)生成電路拓?fù)?、設(shè)計(jì)結(jié)果、材料清單、PCB布局、變壓器參數(shù)和結(jié)構(gòu)等。在1-5分鐘內(nèi)，就可以完成一款單片開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)工作。目前支持的單片IC有以下六大類：

　　TOPSwitch-GX PeakSwitch TinySwitch-II TinySwitch-III DPA-Switch

　　LinkSwitch-II PI Expert Suite 9.0。新版軟件現(xiàn)在增加了對(duì)其LinkSwitch™-PL和LinkSwitch-PH LED驅(qū)動(dòng)器IC以及近期推出的TinySwitch™-4離線式開(kāi)關(guān)IC產(chǎn)品系列的設(shè)計(jì)支持。V9.0還附帶一款增強(qiáng)的電路原理圖處理工具，借助這個(gè)工具，設(shè)計(jì)師可將自動(dòng)生成的電路原理布局圖所創(chuàng)建的最終BOM上傳至選定、可滿足設(shè)計(jì)需求的領(lǐng)先分銷商。

　　PI Expert：是自動(dòng)化的圖形用戶界面（GUI）程序，它可以根據(jù)用戶的電源規(guī)格參數(shù)，自動(dòng)生成圍繞Power Integrations某一IC產(chǎn)品系列的電源轉(zhuǎn)換方案。PI Expert可提供構(gòu)建和測(cè)試工作原型所需的所有必要信息。這些信息包括完整的交互式電路原理圖、物料清單（BOM）、電路板布局建議以及詳細(xì)的電氣參數(shù)表。PI Expert還可提供完整的變壓器設(shè)計(jì)，包括磁芯尺寸、線圈圈數(shù)、適當(dāng)?shù)木€材規(guī)格以及每個(gè)繞組所用的并繞線數(shù)。此外，還可生成詳細(xì)的繞組機(jī)械裝配說(shuō)明。該程序可以將設(shè)計(jì)時(shí)間從數(shù)天縮短至幾分鐘。

　　· PI Xls Designer：PI Xls Designer是基于設(shè)計(jì)表格的應(yīng)用程序，能讓電源設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)過(guò)程中獲得更多的控制。同時(shí)，也提供包括詳細(xì)的繞組機(jī)械裝配說(shuō)明在內(nèi)的變壓器構(gòu)建支持。 PI Xls Designer根據(jù)您提供的有關(guān)輸入、輸出以及其他所有必需的設(shè)計(jì)規(guī)格來(lái)執(zhí)行所有必要的計(jì)算，以設(shè)計(jì)和評(píng)估采用Power Integrations的IC的電源轉(zhuǎn)換方案。

　　3、webench

　　自從德州儀器于1999年推出 WEBENCH 網(wǎng)上設(shè)計(jì)工具后，設(shè)計(jì)工程人員便可在數(shù)分鐘內(nèi)于網(wǎng)上創(chuàng)建出可靠的電源供電電路，用戶只要輸入所要求的電路性能， WEBENCH 工具套件便可完成設(shè)計(jì)。今天，WEBENCH 設(shè)計(jì)工具可以在數(shù)秒間創(chuàng)建和展示出所有符合設(shè)計(jì)要求的可行方案，包括電源供應(yīng)器、照明系統(tǒng)和傳感電路等，讓用戶可在決定設(shè)計(jì)方案前，從系統(tǒng)和供應(yīng)鏈的角度比較來(lái)自不同設(shè)計(jì)的數(shù)值，而這種專業(yè)的分析工具在業(yè)內(nèi)可說(shuō)是唯一的。

　　所有這些設(shè)計(jì)工具都可通過(guò) WEBENCH Visualizer 接口提供出多個(gè)不同的完整系統(tǒng)選擇 （一目了然的數(shù)值比較?。?，而設(shè)計(jì)工程人員只需調(diào)校 WEBENCH 優(yōu)化旋鈕便可從大小、效率和系統(tǒng)成本的角度調(diào)整結(jié)果。。

　　WEBENCH 設(shè)計(jì)工具中的經(jīng)濟(jì)效益系統(tǒng)（Eco-System 是促成這種數(shù)值式比較的關(guān)鍵，當(dāng)中包含超過(guò) 110 個(gè)不同的組件供貨商和電子零件分銷商，該 Eco-System 可提供超過(guò) 21.000 款組件的電氣和物理特性，而且其網(wǎng)上價(jià)格和供貨數(shù)據(jù)可每小時(shí)更新。目前，WEBENCH 設(shè)計(jì)工具可支持簡(jiǎn)體中文、日文和英文三種語(yǔ)言。

　　采用 WEBENCH 設(shè)計(jì)工具，您只需進(jìn)行幾個(gè)步驟便可在數(shù)分鐘內(nèi)創(chuàng)建一個(gè)設(shè)計(jì)：

　　定義系統(tǒng)的性能要求，包括光輸出、傳感器精確度或電壓和電流

　　選擇您偏愛(ài)的 FPGA、LED 或組件供貨商

　　在可視熒幕上從大小、成本、效率和簡(jiǎn)易度檢討最后得出來(lái)的完整解決方案

　　分析和調(diào)整最后得出來(lái)的拓?fù)浜徒M件供貨商

　　打印項(xiàng)目或設(shè)計(jì)報(bào)告或訂購(gòu)短時(shí)間付運(yùn)的完整建模 （Build It） 套件

　　今天決定設(shè)計(jì)，明天進(jìn)行組裝

　　>配合超過(guò)150萬(wàn)個(gè)成功設(shè)計(jì)，使 WEBENCH 設(shè)計(jì)工具的創(chuàng)意無(wú)限。

　　4、SwitcherPro

　　SwitcherPro 軟件為您提供電源設(shè)計(jì)的電路圖和布局建議。一旦您運(yùn)行了軟件，您便會(huì)注意到窗口左側(cè)的 EVM 設(shè)計(jì)選項(xiàng)。例如，您會(huì)在給出的列表中找到 TPS54331 EVM。圖 1 顯示了 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 TPS54331 的 SwitcherPro 布局建議。圖 1 和圖 2 所示布局都經(jīng)過(guò)了測(cè)試和驗(yàn)證。

　　圖 1 SwitcherPro 軟件給出的 TPS54331 布局

　　SwitcherPro 工具還為您提供了修改電路要求的機(jī)會(huì)，甚至可以修改示意圖中的組件。通過(guò)復(fù)制 EVM 設(shè)計(jì)，然后選擇編輯電路選項(xiàng)，便可以進(jìn)行修改。這樣一來(lái)，您就可以修改 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸入最小值和最大值，也可以修改輸出電壓和電流要求。軟件還具有一般分析、應(yīng)力分析、效率分析和回路分析功能，方便您評(píng)估電路。

　　為了完成設(shè)計(jì)，您需要返回到您的評(píng)估模塊，按照 SwitcherPro 的建議修改各項(xiàng)值，然后對(duì)您的新電路進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。最后，如果您是在線工作，便可以輕松地同其它人分享您的設(shè)計(jì)。

　　圖 2 SwitcherPro 軟件給出的 TSP54331 電路

　　您現(xiàn)在一定可以說(shuō)：“我能自己進(jìn)行這種電源設(shè)計(jì)了！”，的確，經(jīng)銷商會(huì)告訴您如何獲得正確的軟件工具。這樣，您的電源設(shè)計(jì)就在您自己的掌控之下了。

　　——下期《電源工程師設(shè)計(jì)全攻略（六）：電源設(shè)計(jì)中的EMC及安全防范》 精彩搶先看：1、電源設(shè)計(jì)中電磁干擾的來(lái)源；2、消除或減弱電源電路中電磁干擾的方法。

　　不日上線，敬請(qǐng)期待！