基于網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計工具

Dan Barsell
國際整流器公司設(shè)計部應(yīng)用工程師

設(shè)計師已轉(zhuǎn)用負(fù)載點（POL）功率系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以便于在高負(fù)載波動下減小功率傳輸損耗和維持電壓的精密調(diào)節(jié)率。

許多IT 系統(tǒng)設(shè)計師只有很少或者沒有電源設(shè)計經(jīng)驗，市場上又缺乏具有迅速和精確模擬模型的開發(fā)工具。因此設(shè)計師就依靠反復(fù)試驗的方法從目錄中選擇DC-DC 變換器，或者在未知性能的情況下采用“剪貼”參考設(shè)計的方法。加上采購過程和優(yōu)化實驗電路板設(shè)計耗時甚多，也會導(dǎo)致開發(fā)延誤。

這些挑戰(zhàn)導(dǎo)致整個設(shè)計周期的延誤，損害原始設(shè)備制造商的生產(chǎn)力，因為對于這些廠商來說，功率管理并非強(qiáng)項所在，但卻是不可或缺的一環(huán)。一個新產(chǎn)品若延誤六個月才推出市場會減少產(chǎn)品整個生命周期中33%的利益。然而若比原計劃僅僅早一個月把產(chǎn)品推向市場，它卻可帶來高達(dá)12%的額外利益。

國際整流器公司（IR）創(chuàng)建了一個新的基于網(wǎng)絡(luò)的方法來幫助IT 設(shè)計師開發(fā)定制DC-DC 變換器，省去了分離式功率系統(tǒng)固有的延遲。

新工具myPOWER 在線設(shè)計中心重新定義了功率系統(tǒng)設(shè)計，它能夠幫助元器件供應(yīng)商縮短產(chǎn)品面市時間達(dá)數(shù)周甚至數(shù)月，同時為最困難的應(yīng)用提供最優(yōu)設(shè)計。

myPOWER 在線設(shè)計中心可供免費使用，網(wǎng)址為mypower.irf.com。系統(tǒng)為高級電源提供一步步的解決方案，并使用快速（小于5 秒）和精確的（5%或更佳）在線模擬去驗證設(shè)計，然后輸出可定制的已驗證參考設(shè)計和材料清單（BOM），以及為設(shè)計驗證和系統(tǒng)整合提供快速器件采購。

myPOWER 在兩個特定方面不同于其它的基于互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計工具。它可以在大約1V 輸出電壓和1MHz 工作頻率下提供高達(dá)80A 電流的完整電路設(shè)計， 并提供了優(yōu)化設(shè)計所需的極高精確度。

高效率設(shè)計工具的關(guān)鍵

下面的描述說明了myPOWER 應(yīng)用于同步降壓DC-DC 變換器的過程。IR 不久會將此相同的方法延伸到其它功率管理應(yīng)用。

一個快速、有效、可定制的基于網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計需要符合以下條件：
• 參考設(shè)計不應(yīng)只適用于某一個類別，它們必須適合于應(yīng)用。
• BOM 列出來的應(yīng)該是實際能夠購買到的元件，而不僅僅是規(guī)格說明。
• 原型設(shè)計必須可以輕易得到。
• 最后，也是最困難的是必須有高性能的模擬工具，能夠快速和精確的證明構(gòu)思的正確性。

參考設(shè)計

事實上基本的電源設(shè)計和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以很容易從書本和參考設(shè)計中找到，但問題仍然存在，那就是這些參考系統(tǒng)能否運作，它們是否可以針對客戶的獨特應(yīng)用而優(yōu)化。

參考設(shè)計必須非常簡單以便一個新手也可以創(chuàng)作一個設(shè)計，但是它要有充分靈活性以作調(diào)整，并允許設(shè)計師改變輸出電流和電壓，以及無源器件和濾波器。

這些參考設(shè)計也必須支持有經(jīng)驗的設(shè)計師的需要，幫助他們利用無源器件進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計的成本、效率、輸出紋波、暫態(tài)響應(yīng)、輸出電壓和開關(guān)頻率。

材料清單

許多參考設(shè)計的其中一個最大缺點是缺乏完整的材料清單。當(dāng)大多數(shù)設(shè)計僅有元件的數(shù)值和描述，而沒有實際的供應(yīng)商產(chǎn)品型號，對采購部門來說很難去訂購。

一個完美的參考設(shè)計應(yīng)列出電路板上每一個元件的數(shù)量、數(shù)值、生產(chǎn)商和型號。它也應(yīng)當(dāng)提供每一個供應(yīng)商的各種型號的規(guī)格和詳細(xì)說明，以方便有經(jīng)驗的用戶選擇他們喜歡的供應(yīng)商和型號。

原型設(shè)計

任何功率系統(tǒng)設(shè)計工具最重要的是消除完成原型創(chuàng)作的延遲。要驗證POL 轉(zhuǎn)換器設(shè)計一般也有額外的時間約束，因為它一般也是電路板上其中一個最后指定的配件。然而不幸的是如果在配置、采購、小批量生產(chǎn)和交付（包含分配部分）等方面出現(xiàn)任何問題或延誤都會影響系統(tǒng)產(chǎn)品的面世。

在理想情況下，一個完整的原型創(chuàng)作過程不會超過兩個星期。但在一個典型的設(shè)計周期中電路板必須重新設(shè)計，因為制造核心部分需要20 星期和最小1000 塊，或者標(biāo)準(zhǔn)的參考設(shè)計不適合獨特的電源要求。

要解決這些額外的延遲可以將最終的模擬設(shè)計直接連接到供應(yīng)鏈，然后就可以收到經(jīng)過完全測試過的參考設(shè)計，并附有部件工具包以優(yōu)化參考設(shè)計，滿足客戶的獨特要求。通過使用myPOWER 在線設(shè)計中心，IR 可以在72 小時之內(nèi)將設(shè)計包交付全球客戶。

模擬工具

IT 應(yīng)用的點負(fù)載DC-DC 功率系統(tǒng)越來越復(fù)雜，因此需要精確的模擬程序以減少反復(fù)試驗的驗證過程所浪費的時間。

實際上一些工程師，尤其是缺少時間或沒有專業(yè)知識去開發(fā)模擬程序所需的精確電路模型的工程師，他們趨向于回避這些嚴(yán)格的計算并選擇改良已有的參考設(shè)計，直接用實驗電路板去驗證性能參數(shù)。

工程師們寧愿花費幾個小時修改電源電路而不愿花費數(shù)天時間去優(yōu)化一個模型。因為工程師們要努力去達(dá)到研發(fā)階段的整體生產(chǎn)力和成本目標(biāo)，因此這兩種浪費時間的方法都會被放棄。

有缺陷的模擬模型會導(dǎo)致給出的原型設(shè)計不能工作，并需要大量的重復(fù)性試驗工作，這樣一來就延遲了整個項目的進(jìn)度?；蛘邩悠分荒茉谀承┨囟l件下工作，而沒有明確指出它的工作條件限制，這樣就會導(dǎo)致將來的品質(zhì)保證問題。

因此，一個不需模型制造的快速和精確的模擬設(shè)計是減少確證時間的一個關(guān)鍵要求。模擬的精確性，也就是說模擬和實際電路測量比較而言，是極其重要的，因為現(xiàn)代的設(shè)計需要元器件達(dá)到額定值的80-90%之內(nèi)。

如果一個模擬僅有20%的精確度，工程師就不能確定其設(shè)計是否超出元件極限，或大多數(shù)供應(yīng)商所指定的10-20%降額窗口范圍內(nèi)。

理想上來說設(shè)計師們應(yīng)當(dāng)追求1%的精確度。如果輸入精確的數(shù)值，就能達(dá)到這一要求。然而，由于寄生參數(shù)的影響和大多數(shù)元件事實上有1-30%的容許誤差（典型的電阻器：1-5%，電容器：10-20%，輸出電感：20-30%），這就是說模擬精確度一般是在5%范圍之內(nèi)。

現(xiàn)在市場上的模擬設(shè)計要犧牲精確度而取得速度，或者犧牲速度而取得精確度。結(jié)果是，為了加速模擬速度，模型通常被“理想化”。例如，用一個理想的開關(guān)來代替精確的場效應(yīng)管模型或是把寄生因素排除在電路設(shè)計之外。

這加速了模擬速度，但它也產(chǎn)生了誤差，在模擬整個電路時也會夾雜這些誤差。圖1 所示是現(xiàn)今典型的基于網(wǎng)絡(luò)模擬工具得出的結(jié)果。其結(jié)果是理想化的，得出的是有無限斜度的簡單條狀圖形。

在電路模擬階段時模擬誤差會被放大。一個復(fù)雜的電源模擬需要花費數(shù)小時才能完成。為了加速模擬，工程師把這些設(shè)計分割成較小的子電路，然后再把得出的數(shù)據(jù)結(jié)合于整個設(shè)計。如果數(shù)據(jù)沒有被正確同化將會產(chǎn)生嚴(yán)重的誤差。

時間步進(jìn)也可導(dǎo)致誤差。如果要精確代表類似波形，就需要更多的步進(jìn)。這通常會使模擬速度更慢，但其數(shù)據(jù)結(jié)果更精確。圖2 所示是采用同步降壓變換器開關(guān)節(jié)點的例子。

第一個波形（圖2A）是用很長的時間步進(jìn)模擬結(jié)果，第二個波形（圖2B）是以前者百分之一的時間步進(jìn)模擬的結(jié)果，這也需要多花費100 倍的時間去模擬，但是其波形和圖2C 所示的實測波形更為接近。圖2C 記錄的是用作圖2A 和圖2B 模型的實際模擬功率電路模型的示波器波形。

如果一個模擬器要得出有用的結(jié)果，它必須有精確的元件模型。為了創(chuàng)建這些模型，許多工程師花費數(shù)小時輸入與電路相關(guān)的數(shù)據(jù)，運行耗時的模擬來反映實際的測量數(shù)據(jù)，然后優(yōu)化模型。有些工程師為了節(jié)約時間花錢外購所需的專業(yè)模擬工作，但是前提是此模型已經(jīng)存在，否則這仍舊要花費一些人的時間和努力。

在要求高精確度的同時，設(shè)計師也要求用最少的時間進(jìn)行基于網(wǎng)絡(luò)的模擬程序。因此整個網(wǎng)站必須仔細(xì)調(diào)整從而滿足這些極端的要求。模擬的目標(biāo)是時間應(yīng)小于5 秒，模型和實際波形之間的精確度應(yīng)當(dāng)優(yōu)于5%。

由于這些原因，國際整流器公司采用以Berkeley SPICE 3 為基礎(chǔ)的通用系列模擬器，并優(yōu)化了每個元件模型的速度和精確度。

在SPICE 中，每個電路的模型網(wǎng)絡(luò)表被轉(zhuǎn)換成一系列的數(shù)學(xué)等式。通過減少等式數(shù)量，也可以縮短程序運行時間，而這些程序往往因為相當(dāng)耗費時間而沒有執(zhí)行。

IR 利用MathCAD 把這些數(shù)學(xué)模型簡化成幾個等式，然后把這些簡化了的等式放回到SPICE 模擬器。所需模擬時間大大減少，而同時保持極高的精確度。

為了進(jìn)一步提高精確度，模型中加入了寄生參數(shù)。這需要反復(fù)進(jìn)行硬件測試、改良網(wǎng)絡(luò)表和使用1ns 的極小時間步長進(jìn)行模擬，以提供精確度優(yōu)于5%的模型。

把電路網(wǎng)絡(luò)表的分析與改良相結(jié)合以及在模型中加入寄生元素為IR 工程師們達(dá)到所追求的目標(biāo)，就是把模擬時間從3 分鐘縮短至4 秒并保持5%精確度。甚至當(dāng)更換元件時，模型的精確度仍能保持在±5%誤差范圍內(nèi)，以確保模擬設(shè)計和原型測量保持一致。

原型和最終的設(shè)計

當(dāng)設(shè)計完成模擬，系統(tǒng)就會輸出一個完整的材料清單，Gerber 格式的PCB 結(jié)構(gòu)圖以及電路原理圖。IR 也提供獨特的原型設(shè)計工具組件，包括經(jīng)全面組裝和測試的原型參考設(shè)計，并附有模擬期間所指定的各種無源器件。這些工具包能夠在72 小時之內(nèi)交付，因此原型和設(shè)計證明能夠馬上開始。