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第44卷–2010年1月

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ADIsimPower提供稳定可靠的、可定制DC-DC转换器设计

作者:Matt Kessler

简介
无论是新手还是专家,DC-DC转换器设计人员都会面临海量的电源管理IC选择。要找到特性、性能、集成度和价格的最佳组合十分困难,实际设计工作会非常棘手。ADIsimPower™旨在简化IC选择过程,并提供构建最佳DC-DC转换器所需的信息。

大部分DC-DC选型指南只是根据给定的一组输入,将用户直接导向可行的开关调节器开关控制器线性调节器,而不提供对选定特定器件时所做的取舍进行量化的方法。ADIsimPower则不同,它允许设计人员考察电源转换的各种取舍关系和设计复杂性。这款新工具提供智能化选型指南和全面的设计辅助,它可根据用户的尺寸、功效、成本、器件数量或上述参数组合的确切要求,产生稳定可靠的优化设计。

ADIsimPower选型和设计流程包括四步:输入设计标准2. 查看所有设计解决方案;3. 查看解决方案详情;4. 构建完成设计。流程结束时,ADIsimPower将提供定制的原理图、含供应商产品型号和价格的材料清单(BOM)、效率图、性能规格、闭环传递函数以及快速构建设计的方法。

输入设计标准
ADIsimPower的第一页包括如下用户输入字段:最小输入电压、最大输入电压、输出电压、输出电流和最大环境温度;各参数的上下限显示于相应文本框下方。填好这些参数之后,按下“查找解决方案”按钮可查找适合此应用的推荐解决方案。

用户如果知道要使用ADI公司的哪一款电源管理器件,可以点击“选择IC”。这将激活一个下拉菜单,其中列出了当前支持的电源管理IC。选取一个器件之后,用户将直接转到“查看解决方案详情”。

查看所有设计解决方案
ADIsimPower的第二阶段是帮助用户选择最符合设计要求的器件。为清楚起见,页面上方重复显示了第一阶段的设计输入参数。下面是“推荐解决方案”,它按照以下标准列出各种推荐解决方案的IC和拓扑结构:成本最低、尺寸最小、器件最少和功效最高。推荐方案基于整个DC-DC转换器设计,包括电源管理IC、电感、电容、电阻、MOSFET和二极管。

推荐解决方案”下面是一张表,它按顺序列出每种可用IC的解决方案成本、尺寸、功效和器件数量,让用户不必用各器件进行单独设计就能了解各种设计的取舍优势。各列都可以排序,以突出最重要的取舍考量。表格右方是特性列表。若要扩展或合并此列表,请点击“显示全部特性”或“显示默认特性”。点击相应的复选框可以选择或取消选择一项特性。请选择应用需要的所有特性。不包括所选特性的IC将从此表中和推荐解决方案中移除。

选好特性、性能、集成度和成本达到最佳平衡的IC之后,点击相应的“查看解决方案”按钮。如果此按钮未激活,则表示ADIsimPower暂不提供全面设计支持。请点击IC名称,查看数据手册和其它信息。点击“下载设计工具”可获得基于Excel且可以在本地运行的设计工具。

查看解决方案详情
在这一阶段,ADIsimPower产生并显示完整的设计,包括定制的原理图、详尽的材料清单以及工作参数、功耗和最高温度预估。开关转换器设计还会显示功效图和损耗图,某些情况下还会给出闭环传递函数。

为清楚起见,页面上方重复显示了原始输入参数;如果更改设计参数,页面上方也会相应更新。点击“修改高级设置”将打开一个窗口,用户可以在其中修改许多设置,包括但不限于:精度、最大元件高度、峰峰值输出电压纹波、输入滤波器要求、负载瞬态响应、电感纹波电流和MOSFET供应商偏好(根据器件选择情况,可能只显示这些特性的一部分)。ADIsimPower与其它DC-DC转换器设计工具的一个不同之处,就是能够修改这些设置。不难理解,这样安排的目的是让电源设计新手感觉轻松,但高级设置正是电源设计专家希望在设计中加以控制的一类参数。

该页面的下一部分含有多个选项卡,用来指定各种重要的设计参数。同样,这些选项卡中的信息因所选IC而异,但常用选项卡包括工作参数预估、功耗预估温度预估。所有参数都会显示最低输入电压和最高输入电压两种情况下的值。工作参数预估选项卡包括PWM占空比、峰峰值输出电压纹波和峰值电感电流等参数。功耗预估选项卡显示各高损耗元件的功耗。温度预估选项卡显示与功耗预估选项卡中的损耗相关的各元件温度。功耗和温度计算所使用的参数值中,决定功耗的许多参数取最差情况值,以确保设计稳定可靠。

下一部分显示完整的定制原理图,包括参考名称和引脚编号。

接下来是“材料清单”。其中可能有多个元件可以编辑,其项目编号显示为橙色。点击项目编号可以看到一个列表,它包括符合相关要求,可用于设计的其它元件。列标题因元件类型而异。典型标题包括制造商、产品型号、功耗(W)、面积(mm2)、高度(mm)、成本($),以及反映元件特征及其在电路中如何工作的其它特性。这样,用户可以继续权衡性能、尺寸和成本,以便全面定制设计。每列都可以排序,从而清楚显示更改元件的量化得失。如果选择新元件,ADIsimPower将利用所选元件重新设计,确保仍能满足所有要求。

材料清单之后是“图形”部分,可能包括效率图、损耗图和闭环传递函数(波特图),所有图形都会显示最低输入电压和最高输入电压两种情况。效率和损耗曲线对应于许多高损耗参数取最差情况值时的损耗。这种最差情况分析一般贯穿于整个ADIsimPower设计流程。其目的是让用户确信:该工具所提供的设计稳定可靠,能适应所有元件误差、环境温度范围和其它电路变化。这款工具所提供的设计远远超出了基本解决方案的范畴。

在“查看解决方案详情”阶段,每部分的上方均为各种设计标准(最低成本、元件数量、功效和尺寸)的单选按钮。如果选择新的单选按钮,该工具将根据新的设计标准完全重新设计电路,先前所做的所有BOM更改也将作废。确定最终设计之后,请点击“构建此解决方案!”。

构建完成设计
本页的第一部分是适合上一阶段所选IC的评估板图片。订购评估板和IC的链接位于评估板图片右方。图片下面是与整个评估板相对应的原理图。请注意,本部分的原理图与评估板相对应,通常支持许多不同的配置。原理图上,各元件旁边显示元件值和封装符号,这将有助于构建电路板。许多元件都会显示No Pop,表示此特定设计不需要该元件。原理图下面是材料清单,它同样是适用于评估板。清单会列出所有元件,以便在填充电路板时进行核对。与“查看解决方案”部分的原理图和材料清单相比,本部分的原理图和材料清单可能更长、更复杂,更能代表最终设计。材料清单下面是评估板的顶部装配图、底部装配图和PCB所有各层的图片。简言之,本阶段提供构建完成ADIsimPower中创建设计所需的一切。

点击相关链接,用户可以将“构建完成设计”和“查看解决方案详情”部分的相关信息下载下来或通过电子邮件发送,内容格式类似于用户在网页上与工具交互时所看到的格式。

器件数据库
ADIsimPower使用的器件数据库包括3000多个唯一产品型号,其中有电感、MOSFET、二极管、电容和电源管理IC。显然,每种类型的器件都有寄生效应,导致它不能以理想的方式工作。因此,为了获得稳定可靠的电源设计,必须考虑这些影响。虽然许多寄生效应特性都没有在数据手册上得到详尽说明,但ADIsimPower的架构师和开发者已从器件制造商那里获得了这些未公布的信息。这款工具考虑的非理想行为包括但不限于:

电容:电容随施加电压的变化(dC/dV),ESR随开关频率的变化(dC/dT)。

电感:内核损耗和集肤效应损耗与开关频率的函数关系。

二极管:正向电压随正向电流的变化(dVf/dI),正向电压随温度的变化(dVf/dT),寄生电容随施加电压的变化(dC/dV)。

MOSFET:导通电阻随温度的变化(dRds(on)/dT),导通电阻随所施加的栅极-源极电压的变化(dRds(on)/dVgs),寄生电容(Coss、Crss、Ciss)随施加电压的变化(dC/dV)。

以上只是ADIsimPower设计所考虑的许多非理想器件行为中的最一般行为。无论是经常使用ADIsimPower的用户,还是初次使用该工具的用户,均会发现其设计结果十分稳定可靠,接近生产水平,符合人们对设计工具的最高期望。

结束语
无论是新手还是专家,均可借助ADIsimPower找到特性、性能、集成度和成本的最佳组合IC,获得最适合特定应用的DC-DC转换器设计方案。通过“查看所有设计解决方案”部分的智能选型指南,用户可以看到一般需要完成全部设计才能知道的各种方案得失。该工具的第三部分是“查看解决方案详情”,允许用户编辑器件并调整高级特性,从而获得更加稳定可靠、详尽完善的设计。最后阶段是“构建完成设计”,提供构建评估板所需的全部信息,以便评估设计。ADIsimPower是一款与众不同的DC-DC电压调节器设计与选型工具,可根据各种独特应用的要求,提供稳定可靠且真正优化的开关控制器、开关调节器和LDO设计。

作者简介
Matt Kessler [matt.kessler@analog.com] 是电源管理产品应用工程师,隶属位于美国科罗拉多州科林斯堡的客户应用小组,负责为广泛的产品和客户提供技术支持。他也是ADIsimPower最早的架构师兼开发者之一。Matt拥有德克萨斯大学达拉斯分校电子工程学士学位,目前正在攻读科罗拉多州立大学电子工程硕士学位。他于2007年加入ADI公司。
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