淺談如何善用線上設計工具縮短電源設計流程

　　在產(chǎn)品生命週期日趨縮短下，系統(tǒng)設計工程師必須及早在系統(tǒng)設計時，進行電源整合的考量，以避免造成最后階段須大幅修正。為了能夠獲得更佳的系統(tǒng)設計，設計工程師可藉由電源電路的線上設計工具，來縮短前段處理，甚至完整設計的時間。

　　市場的競爭壓力迫使新一代產(chǎn)品的開發(fā)時間越來越短，較晚進入市場者，通常將喪失商機與市場占有率。

　　其中，負載點電源管理電路由于面對不斷改變的處理器單元、更小的外型、更高的效能，以及更快的運作頻率等挑戰(zhàn)，因此產(chǎn)品生命週期相當短，使得系統(tǒng)設計工程師再也不能將電源的設計與整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分開，如果沒有及早進行電源整合的考量，那么就可能過度消耗資源，而且必須在最后階段大幅修正產(chǎn)品設計。

　　為了獲得更好的功率密度、效率以及分散式電源架構(gòu)的彈性，系統(tǒng)設計工程師必須同時考慮電源的電路設計，以便取得產(chǎn)品的最佳電氣效能、整合度與可靠度表現(xiàn)。

　　在電源電路設計上，由于新興的設計越來越復雜而且特殊化，因此對模擬工具的需求也就越來越高，在電路模擬工具推出之前，工程師必須親手進行耗時的計算動作，同時耗費許多時間在架構(gòu)塬型設計上，還得重復比較實驗室測量值與計算結(jié)果來加以修正。因此，在面臨急迫的設計期限時，通常會迫使許多工程師使用先前的設計進行漸進式修改，而無法採用最新技術(shù)。

　　電源電路的線上設計工具可透過許多不同方法來協(xié)助電路設計工程師完成專案，部分工具的目標是透過比較與選擇晶片與拓樸結(jié)構(gòu)，來縮短前段處理，另外一些則提供已經(jīng)設計好電路圖的模擬支援。理想上，支援設計工程師進行設計的工具應該要涵蓋整個設計週期。

　　完整解決方案趨于主流

　　半導體業(yè)者已開始採用以解決方案為主的方式，來簡化并加速低耗電系統(tǒng)的電源管理電路設計。以國際整流器公司（IR）的myPOWER線上設計中心為例（圖 1），其包含一系列功率半導體、被動元件與針對特定功率等級的電感器，并以最佳化電路板布局安排，提供可預測電氣與溫度效能等經(jīng)過完整測試與特性分類的參考設計。和常見的模擬電路板不同，這些參考設計都儘可能地反應實際電路的情況，提供如電路板布局、溫度設計，以及元件搭配最佳化等復雜問題的有效解答。

　　使用設計工程師輸入的運作參數(shù)、溫度情況與功能要求，這項設計工具能計算出電路耗損，并提供電路板布局、氣流安排與環(huán)境溫度，精確估算關(guān)鍵元件的接面溫度。這一系列的計算動作會在資料庫中合適的參考設計上重復執(zhí)行，以便找出最佳設計，并提供包括計算所得效率、接面溫度、電路板布局安排與材料清單 （BOM）成本等，如此設計工程師就可以進行所有資料的比對，并取得符合設計目標的最佳解決方案選擇。

　　每個參考設計都搭配全套線上模擬工具，模擬能力包含小訊號與大訊號分析、切換波形以及所有零組件的效能分析，提供給設計工程師搭配內(nèi)含製造商元件編號與預估價格完整材料清單的完整電路圖，這個電路圖具備有互動功能，并配備有可以讓工程師依需要調(diào)整設計的各種不同替代零件資料庫。

　　這項模擬功能能夠在訂購塬型功能展示電路板前驗證零件應力、零件值與電路連線，以便節(jié)省開發(fā)時間，所有數(shù)值都可以在幾秒鐘內(nèi)加以改變，并重新進行評估，而非更換元件并重新焊接，因而得以節(jié)省大量時間。

　　在進行標準參考設計的客製化時，使用者可調(diào)整系統(tǒng)級輸入，來對一些主要的效能條件，例如電氣效率、電源耗損、接面溫度、尺寸大小與材料清單成本等進行取捨。完成后，整個電路可以立即重新進行模擬，為設計工程師免除更換零件的成本與時間，帶來進行大量設計修改的自由度。在設計工程師驗證了所選用的參考設計是否符合需求后，便可進行效能測試，并確認整個設計可以運作，同時所測量的結(jié)果也能夠符合線上工具提供的計算值（圖2）。

　　以國際整流器公司的設計支援團隊為例，即採用以解決方案為主的方式，提供符合線上使用者客製化要求的參考設計電路板，每個客製化電路板都經(jīng)過針對規(guī)格的測試，并能產(chǎn)生可以直接運用到嵌入式應用的設計檔案。這些經(jīng)過測試的客製化參考設計套件，將會針對線上所得的結(jié)果進行驗證，讓使用者可開始進行系統(tǒng)層級的效能測試。

　　電路設計自動化

　　許多針對特定應用所設計的晶片在採用其他被動與主動式元件時，在設計上都是依循資料規(guī)格書的大量應用註記。雖然文件中包含的專業(yè)知識對工程師來說具有相當參考價值，但還是得花上幾個小時，甚至數(shù)天的時間來完成所有的計算，并將計算結(jié)果與可用元件進行匹配。這個耗時煩人的工作，可能成為採用新拓樸結(jié)構(gòu)技術(shù)的一個重要障礙，同時學習曲線也較長。因此在這類線路設計上，一項可以執(zhí)行所有必要運算的線上設計工具，將有助于節(jié)省大幅時間。

　　舉例而言，國際整流器公司的單週期控制功率因數(shù)校正（PFC）設計工具，是以基礎(chǔ)的電路圖為開端，接著讓設計工程師指定用來計算被動元件值的輸入與輸出參數(shù)，將手動計算所須耗費的數(shù)個小時縮短到幾秒鐘，并且能夠讓設計工程師快速分析波形，以及針對個人需求進行設計最佳化工作。

　　自動化分析的結(jié)果包含完整的材料清單（圖3），以及描述電路效能的輸出情況列表，這項工具同時也可以產(chǎn)生顯示交流電源諧振失真、輸出漣波電壓、整體迴路響應與誤差放大器響應的圖形（圖4），所有資料都以PDF檔提供，以方便設計工程師整合到個人的設計筆記本中。

　　在最佳情況下，這類線上工具可提供高密度、低成本PFC控制電路相關(guān)資訊，協(xié)助設計工程師直接取代現(xiàn)有電源、更換舊式連續(xù)導通模式PFC電路，而不須耗費太多寶貴時間在重復效能測試上。

　　節(jié)省時間 創(chuàng)造更大效益

　　直接引用經(jīng)過驗證的設計，是設計工程師進行新系統(tǒng)電源電路設計時最簡單的方法。不幸的是，舊式電源設計可能無法符合新系統(tǒng)的需求，同時也阻礙了採用較新且經(jīng)過改善的晶片與可以提升效能的切換開關(guān)。

　　當然，工程師也可以透過架構(gòu)塬型機進行重復測試程序等舊方法來產(chǎn)生新設計，但這對專長于數(shù)位領(lǐng)域的系統(tǒng)設計工程師來說，卻不是簡單的工作，而且工程師們也沒有額外的時間。

　　模擬是讓設計工程師不須真正架構(gòu)塬型機，而能夠找出并修正問題的良好方式，同時可以加速設計流程。不過，良好的模擬程式卻相當昂貴，而且須準備良好的電路模型，對不熟悉軟體或電路的工程師而言也相當耗時。然而，塬型機的製作還是有其存在的必要，因為大部分模擬結(jié)果的精確度，還不足以與良好的設計匹敵。

　　設計工具與網(wǎng)際網(wǎng)路的結(jié)合，加速了電路設計與塬型機製作，近年由于電子設計在復雜度與成本上都越來越高，因此對模擬工具的需求也日益迫切，今日的設計工程師必須儘可能使用最新技術(shù)，來設計出尺寸更小且更有效率的電源轉(zhuǎn)換裝置。線上模擬與供貨系統(tǒng)工具軟體不僅有助于節(jié)省時間，同時也能確保具備有可運行塬型機與相關(guān)支援測試資料的穩(wěn)固設計，透過高速模擬、成熟的設計平臺以及完全組裝且經(jīng)過測試的參考設計電路板，設計工程師將可在整個開發(fā)流程的早期，取得有效的端對端設計解決方案。