ADI_Amy

让电源设计轻松无比的设计工具:ADIsimPower/ADIsimPE

ADI_Amy 員工 在 2016-4-20 建立的討論區
最後回覆由Amenda-NanYa於2017-4-23提供

所有电路都需要电源才能工作,根据我作为应用工程师的经验来看,电源通常是产品开发的设计阶段最后要考虑的项目之一。虽然如今通常被视为一种商品,但事实是,为了使应用电路完全发挥其潜力,大多数电源设计中有许多细微差别需要考虑。而且,越来越多的设计工程师在电源方面缺少经验,或者没有时间专注于电源。关于电源设计的书籍已经出了很多,但只有极少数人有时间或工作范围要求他们完全理解和使用这些书籍。同时,数据速率、比特位计数和噪底已使得电源要求比以往任何时候都严格。然而我们如何有把握地设计出符合这些日益严格的规格的电源呢?

 

一位经验丰富的应用工程师需要花费3-5小时手动进行开关电源轨设计。为了考虑直流偏置、饱和度、热量和许多其他因素的影响,大部分外部元件的有效值需要进行大幅调整。除非将这些项目考虑进去,否则电源轨将无法满足相应的要求,甚至可能不够稳定。此外,大部分公司不仅仅是想要一个设计,他们还需要一个验证设计是否能够按照要求降低电路板制作风险的仿真模型。此仿真模型还必须使元件的有效值能够提供准确的结果。

 

ADI的电源应用团队处理过很多关于这种设计的请求。我们开发了一套设计工具,公司内部使用这些工具帮助确保所有元件和系统影响均得到处理,设计时间减至最短,并且设计将切实符合制作时要求的规格。不久后我们便意识到,客户使用这种设计工具也能获得很大的好处。

 

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ADIsimPower和ADIsimPE由此诞生。尽管尚未被公众所熟知,但这款工具套件在很多方面都具有突破性。通过使用非常简单的3步流程,任何人,无论在电源方面的经验如何,都能在几分钟内获得原理图、物料清单(BOM)、初始布局,在许多情况下还能直接获得准确的仿真模型,这在以前需要几小时,甚至几天。还可根据需要,对设计的效率、成本、面积或器件数进行优化。除调整设计外,高级用户还能做很多其他事情(先阅读数据手册!),例如更改主要元件和微调规格。针对BOM制作时,评估板将完全符合规格要求,而且工具预测和仿真结果将与制作时在实验室中测得的数值一致。完全支持七种不同的拓扑结构,甚至支持各种组合,其中包括SEPIC、Cuk以及反相降压/升压。还支持我们的许多多轨器件。

 

让我用一个示例来说明,从头到尾完成复杂的电源设计是如何的快速和简单。一个很常见的应用是为信号链提供双极性电源。我们假定,我们有一个容差为+/-5%(即10.8-13.2V)的12V输入轨,需要分别在200mA下提供+5V和-3.3V的电压。最大环境温度将是55C。我们进一步假定,在此应用中我们需要小于5mV的纹波,优化的设计目标是使成本达到最低。

 

操作步骤如下

 

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第一步是根据电源轨规格,从ADI产品组合中选择最佳的器件。为此,我们需要在每个电源轨需要的五个基本参数指定的情况下运行选型指南。工具位于www.analog.com/adisimpower上,也可通过ADI网站“设计工具”部分中的链接找到。

 

 

现在,此选型指南不会向只需将Vin、Vout和最大负载电流与数据手册限值相对应的其他工具一样工作。相反,ADIsimPower会针对ADI制造的所有单电源器件进行部分设计计算。它会确定能够在所有拓扑结构中符合规定参数要求的ADI器件的整个集合,而且会同时显示大量有用的信息,以帮助您做出决定。此选型指南有点保守,它不会推荐一个器件,除非它可以确定该器件能够按照要求工作。再花一点点时间讲一下这些内容。

 

我们先采用正电源轨,看看会出现什么:

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输入设计参数后,我们点击“寻找解决方案”按钮,几秒后出现下面的列表:

 

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出现了很多选择。请注意,每个方案都有对成本、面积、器件数和效率的估计。虽然不够精确(这是一种部分设计计算),但这些数字却出乎意料的准确,并且确实对按照设计目标的重要性排列器件很有帮助。每个信息列都可以排序(点击标题),最优器件用粗体突出显示。此外,所有适用的拓扑结构也已寻址。此页上还有很多附加功能,包括一种非常强大的筛选功能。点击“快速筛选”将出现一个相当详尽的对话框,要求您选择或排除“跟踪”、“轻负载效率”、“时钟同步”等重要功能。这可让用户非常快速地缩小可能器件列表的范围,选择具有所需优化效果的最佳器件。

 

就我们的目的而言,我们还需要一个负电源轨,我们可以看到,采用SEPIC拓扑结构的ADP5070或ADP5071具有负电源轨的功能,而且还有一个负转换器。所以,我们进入-3.3V电源轨,看看这两个器件是否也可用于该解决方案:

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输入这些设计参数后,我们得到了以下结果:

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看起来我们应该选择ADP5071。到目前为止,我们已经快速缩小了候选列表的范围,在约一分钟内将39个器件减少到了一个。请尝试通过标准选型指南搜索!

 

 

下一步是下载ADP507x工具,方法是点击“下载工具”按钮。将提供一个zip文件,下载好后,可以从中提取出Excel电子表格(请提取出工具—Windows不允许将电子表格保存回zip文件),然后开始详细的设计流程。

 

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下载好工具后,打开工具,这时将要求您启用宏。需要执行此步骤是因为,工具中的大部分信息包含在VBA代码中。工具安全、具有数字签名且经过验证,所以没有什么好担心的。

 

 

现在我们再次进行输入,这次是两条电源轨同时输入。我们使用在启动时或点击“输入”按钮时出现的基本输入对话框。我们需要以下东西:

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我们需要再输入一些信息,以让工具使纹波保持在5mV或5mV以下。为此,我们需要使用“高级设置”对话框。我不想过多地介绍高级设置的所有可能性,这里是需要为我们的设计进行的设置:

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请注意,我已经将两条电源轨的“Vout纹波”都设为0.1%,其设计规格为5mV和3.3mV。我还选中了这些方框,以便可以使用两级LC滤波器。我为什么要这样做?即使不这样做,这款工具也能输出符合规格要求的设计,但是我恰巧知道,使用额外的滤波功能比堆叠输出上限的替代方案要更易实现最低的成本。虽然您可能没有这样的经验,但您也会发现,这款工具套件非常迅速、非常高效,只需花几分钟的时间,您就能够轻松尝试多个想法,根据自己的喜好进行优化。其余设置也可根据需要进行更改,但在本例中,不需要进行进一步更改。

 

 

现在我们便可以提交设计,方法是点击“提交并转至基本画面”,然后点击“提交/运行”。几秒钟后,工具将完成设计并显示结果。首先,我们得到了一张原理图:

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此原理图来自评估板,不是每个设计都需要所有元件,但它非常完整。我们的工具锁定了一块评估板,所以采用这种方法很有道理,而且原理图可根据最终应用轻松调整。接下来,我们就得到了物料清单:

 

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难以置信!进行非常详细的设计计算后发现,ADP5070可用于两种电源轨。我们可以使用电流较低的器件,以节省成本。记得我说过此选型指南只能进行部分设计且有点保守吗?不像市面上的许多其他设计工具那样,ADIsimPower几乎永远不会推荐一个不能工作的器件,您不会走入死胡同,因而节省了很多时间。

 

 

请注意,这里还提供了准确的器件数、成本和面积。成本是1k或1卷定价的成本,显然,每家公司都有自己的器件定价,所以,这可能对您的公司来说不太准确,但这是一个很好的起点。

 

 

下一部分显示了计算出的设计性能。对于多轨器件,此部分有点长,所以为简洁起见,我将只显示通道1:

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请注意,工具预测纹波为2mV,交叉频率为26.5kHz,相位裕量为57°。

 

 

我不想过多地自夸,但我要指出,这是一种SEPIC设计。这种拓扑结构看起来会让大部分设计工程师产生不必要的恐慌(包括很多年前的我),因为它是一种4阶电源级,会导致控制环路非常复杂。幸运的是,我们建立了整个环路的模型,并且能够求解其数值,所以我们能够以尽可能大的环路带宽得到一种稳定设计,即使环路中存在二级LC滤波。

 

 

好的,我们现在开始运转。实际做起来消耗的时间比我们花在阅读上的时间还要短。现在让我们来完成设计。当然,您现在就可打印结果,但是,您或您的管理层可能仍然有一些疑问?进行一次仿真能否减轻顾虑?我们可以在这个问题上提供帮助。

 

 

我要在这里强调一点。当您选择一组元件时,仿真模型会向您展示将要发生什么。仿真是一种分析工具,不能帮助您选择符合所有规格要求的器件组合。仿真只能帮助您对设计进行验证。AdisimPower是一款综合工具,它可选择所有元件,确保符合设计规格。AdisimPower采用非常先进的私有元件规格数据库,其电源器件模型的精度和详细程度显著高于数据手册中提供的数值,能够产生符合制作时的预期的强劲设计。

 

 

我可以再强调一点吗?我们的竞争对手好像认为,外部元件的一个标称模型就已足够,但我要说,并不是这样的。我尝试过在竞争对手的工具中进行设计,坦白说,我有点失望,默认情况下我会得到不稳定和完全无法工作的设计,而且,这些设计没有达到要求的规格。ADIsimPower会提供您真正需要的东西。如果您使用22uF陶瓷输出电容,它在输出电压为5V时将不会达到22uF。您可能需要此电容的大部分符合纹波规格和稳定性要求。不像市面上的所有其他设计和仿真工具,ADIsimPower的计算以及导出的仿真模型都是使用工作点处的有效值。好的,我现在要离开临时讲台。

 

 

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要进行设计仿真,只需点击“用ADIsimPE/SIMPLIS进行仿真”按钮。这时会出现一个对话框,询问需要进行仿真的具体设计。您可选择您需要的设计,但是我们现在还是重点关注最常见的运行程序。对于我们的设计,我们来检查一下环路稳定性和瞬态响应。对话框如下:

 

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默认选项非常适合用于验证。我们选择“导出并运行Simplis模型”。现在,您必须使已经下载并安装好的相应ADIsimPE能够发挥全部功能。假定您已经完成这一步,当您点击按钮后几秒钟,您将向载入的仿真模型中加载设计规格。

 

 

仿真过程加载好所有所需数据后便可运行。我们开始吧。首先,这是我们需要仿真的设计:

 

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我们已经预加载好了适合的有效元件值,这是不是非常好?看一看1Cout2。其上限是10uF,可以看到,在工作点处,只有5uF的有效电容。通过这种方式我们能够匹配工具输出、仿真结果以及后续的实验室测量值。

 

 

我们已准备好运行仿真。对于大部分spice模型,这时候我们要去倒一杯咖啡,等待几分钟。而借助ADIsimPE,仿真将在约15秒钟后完成,并且还将提供其他仿真器不能执行的真正交流分析。为什么会这样?其原因就是,ADI的开关模型是在SIMPLIS中开发的,而不是在spice中。

 

这是交流分析的结果:

 

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请注意,SEPIC增益和相位与工具预测非常吻合:26.4kHz和64°相位裕量。这关乎于精益求精!

 

 

这是瞬态分析:

 

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放大以查看SEPIC电源轨上的纹波,我们可以看到,纹波为1.2mV。相当接近工具预测的2mV,考虑容差的话会有一点保守:

 

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还可以对很多其他东西进行分析,但此时此刻,设计看起来非常可靠。我们得到了一个完整的论文设计。投入仅七分钟的时间后,我们已经:

  • 选定了最优IC
  • 生成了完整的原理图/BOM
  • 得到了所有运行参数
  • 验证了性能是否符合规格要求

 

如果您想自己测试下设计,可以订购一块评估板。每个工具都有一块评估板,您可以免费订购一块,方法是点击电子表格中的“订购空白评估板”按钮,然后填写信息。

 

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很多客户还想要一个示例布局。每个工具都包括图层面板:

 

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现在您应该知道,借助ADIsimPower和ADIsimPE,即使您没有任何电源方面的经验,您也可以非常快速地获得完整设计和布局。试试看吧!

結果