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WEBENCH 设计工具综述

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现代电子系统设计涉及的芯片越来越多,芯片功耗越来越大。之前74 加51 时代一个5V 电压统治全板的情况不复存在。现代的电子系统对电源要求多种多样,电压方面:1V、1.2V、1.8V、3.3V 和5V 等;性能方面:大电流的,高精度的,低噪声的,低功耗和高效率的等等。

为了应对如此之多的需求,多种多样的电源芯片应运而生。电源系统一般采用树形结构进行设计,各个芯片的电源作为树叶,各模块的支路电源作为树枝,为各个支路供电的电源作为树干。电源树中的电压自顶向下逐级变换,电源树中的电流自下而上逐级汇聚。根据这些电压和电流情况,并考虑到需要的性能、功耗和体积,工程师从众多的电源芯片中选型并优化。这是一个复杂而辛苦的过程,急需一种软件工具配合工程师工作,TI 为电源的设计选型提供了强大的设计软件:WEBENCH

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WEBENCH® — 设计工具综述 目录 一、WEBENCH模拟设计工具包概述 ..................................................................... 3 二、WEBENCH电源设计工具................................................................................ 4 2.1 电源选型.......................................................................................................................................... 5 2.2 单电源设计...................................................................................................................................... 6 2.3 电源架构设计.................................................................................................................................. 9 2.4 FPGA/处理器电源设计............................................................................................................... 11 2.5 LED电源设计.................................................................................................................................12 2.6 电源仿真........................................................................................................................................13 2.7 原理图导出....................................................................................................................................17 三、 WEBENCH电源设计优化实例.......................................................................19 3.1 开关电源参数间的矛盾和联系................................................................................................... 19 3.1.1 开关频率和电感..................................................................................................................... 19 3.1.2 开关频率和MOS管................................................................................................................ 20 3.2 buck开关电源设计实例.............................................................................................................. 22 3.2.1 .芯片优化选择........................................................................................................................ 23 3.2.2 外围元件优化选择................................................................................................................. 24 3.2.3 三种优化方案对比................................................................................................................. 25 3.2.4 方案的仿真分析..................................................................................................................... 26 3.2.5 方案原理图导出..................................................................................................................... 39 3.3 boost开关电源设计实例............................................................................................................ 39 3.3.1 Boost电路电流路径分析...................................................................................................... 40 3.3.2 开关电源的波特图仿真......................................................................................................... 41 3.3.3 boost开关电源效率仿真...................................................................................................... 42 3.4 FPGA电源设计实例..................................................................................................................... 43 3.4.1 FPGA芯片选择....................................................................................................................... 44 3.4.2 供电芯片组电源树设计......................................................................................................... 45 3.4.3 电源树优化设计..................................................................................................................... 47 3.4.4 电源芯片优化选型................................................................................................................. 48 3.4.5 电源芯片外围电路优化......................................................................................................... 50 3.4.6 原理图导出..............................................................................................................................50 四、图表分析和WEBENCH仿真——确定开关电源最恶劣的情况 ...........................51 4.1 先看一下Vin和占空比D的关系。..............................................................................................51 4.2 分析一下ΔI随Vin变化规律。..................................................................................................... 52 4.3 分析ΔI和D的变化关系................................................................................................................. 54 4.4 电流直流分量分析........................................................................................................................ 56 4.5 开关电源中的功率分析................................................................................................................ 60 4.6 WEBENCH仿真验证.................................................................................................................... 61 4.7 总结.................................................................................................................................................62 WEBENCH® 设计工具综述 2 一、WEBENCH 模拟设计工具包概述 现代电子系统设计涉及的芯片越来越多,芯片功耗越来越大。之前 74 加 51 时代一 个 5V 电压统治全板的情况不复存在。现代的电子系统对电源要求多种多样,电压方面 : 1V、1.2V、1.8V、3.3V 和 5V 等 ;性能方面 :大电流的,高精度的,低噪声的,低功耗和 高效率的等等。为了应对如此之多的需求,多种多样的电源芯片应运而生。 电源系统一般采用树形结构进行设计,各个芯片的电源作为树叶,各模块的支路电 源作为树枝,为各个支路供电的电源作为树干。电源树中的电压自顶向下逐级变换,电源 树中的电流自下而上逐级汇聚。根据这些电压和电流情况,并考虑到需要的性能、功耗 和体积,工程师从众多的电源芯片中选型并优化。这是一个复杂而辛苦的过程,急需一 种软件工具配合工程师工作,TI 为电源的设计选型提供了强大的设计软件 :WEBENCH WEBENCH® 设计工具综述 3 二、WEBENCH 电源设计工具 TI 的电源芯片种类齐全,按用途有 AC-DC,DC-DC 和 DC-AC,按照拓扑结构常 见的有 buck、boost 和 buck-boost 等。从这些海量芯片中选取合适的芯片一个个看数 据手册进行筛选是一件效率很低很耗精力的事情。TI 提供了电源设计软件,来帮助用户 完成设计,并可以优化和仿真。 从主页 www.ti.com 进入,可以看到上图方框中所示选项,在“tools & software”中 可以看到电源设计工具 :WEBENCH。 本章对 WEBENCH 的操作界面和设计流程进行介绍,旨在使读者对 WEBENCH 有一个直观的清晰的了解。掌握 WEBENCH 的基本操作,熟悉它的各项功能。点击 “All Analog WEBENCH Design Center tools” 可以 进 入 WEBENCH 工具中心。 进 入 WEBENCH 工具中心后可以看到有很多 tools 被分类排列出来。 WEBENCH® 设计工具综述 4 上图方框中的工具是和电源设计相关。其中方框中的工具是电源选型、设计和优化 仿真时使用,从方框中的分类可以看出 WEBENCH 工具有 :系统电源架构、处理器电源 架构、FPGA 电源架构、多电源架构和单电源架构,还有 LED 电源设计。这些并不是说 WEBENCH 有多个不同版本,而是进入 WEBENCH 相应功能的快捷方式。WEBENCH 工具包括这些设计功能。 WEBENCH 的软件界面如上图所示,图中方框 2 内的选项是 WEBENCH 包含的各 个子功能。从左到右分别是:单电源设计(power)、LED 选型(LED)、LED 架构设计(LED Architect)、多电源架构设计(Power Architect)、FPGA 和处理器电源架构设计 (FPGA/ uP)、热拔插设计 (HotSwap)、电源芯片选型 (Simple Switcher)。LED 的设计在此暂不作 说明。按照先易后难的顺序,对电源选型,单电源设计、电源架构设计和 FPGA/ 处理器 电源设计进行说明。 2.1 电源选型 电源选型是根据用户输入的电压和电流参数,从库中搜索中满足条件的芯片。点击 “Simple Switcher”进入如下界面。 输入 Vin 电压的范围、Vout 电压和 Iout 后,点击下方“Show …… ICs”绿色按钮系 统开始筛选满足要求的芯片。第一个界面系统默认是在“solutions”下进行的(图片中的 放大镜)。 WEBENCH® 设计工具综述 5 系统给出两个推荐芯片列在网页的最上面。同时系统会把满足要求的芯片列表也给出, 显示在网页的下方,列表中包含了芯片的特性和价格。供用户参考。 筛选芯片只是 WEBENCH 的一个小功能,优化选项是它的一个强项。用户可以在 “recommended parts”旁边看到“旋钮”图标,从旋钮的刻度上可以看到有:效率、成本、 封装三个优化刻度,这三个刻度是相互制约的,不能同时都达到,需要用户调节。旋钮 有 5 个档位,用户选择后 WEBENCH 会在用户选择的 3 个特性条件下优化芯片选型,重 新计算出芯片列表。 2.2 单电源设计 有两种方法 进 入单电源设 计界面。 第一种方法 是在电源 选 型页 面选择“visualizer” 进入电源设计。如下图所示 第二种方法是回到开始界面,选择“power”,输入电源的设计条件,按绿色按钮进 入电源设计界面。 WEBENCH® 设计工具综述 6 单电源设计是针对某个型号的 power IC 进行设计。在设计的过程中对效率、成本、 封装三个方面进行优化。这个优化的步骤由 WEBENCH 工具辅助进行。先介绍一下单电 源设计界面内几个主要的窗口。这些窗口对快速使用 WEBENCH 非常重要。 第一行是控制面板,“optimizer”旋钮控制优化算法,改变后工具会重新计算满足条 件的器件,需要一定的时间相应。在设计过程中如果要改变先前的输入和输出条件,可 以使用“change inputs”。重新输入参数后点击“recalculate”,工具会重新计算满足条 件的器件。后面两个是“filter”筛选项,从当前结果中筛选,工具不会重新计算。可以 看到“feature filter”中有电源常用的特性,封装、使能管脚、缓起、条件开关频率等等, 可以勾选需要的选项从结果中二次筛选。“filter results”是对筛选结果进行细调,拖动三 角块,即可改变筛选条件,在结果中二次筛选。 电源设计控制面板 第二行是筛选结果,工具用二维图和电路图可视化了筛选结果,非常方便用户使用。 先介绍左边的二维图,二维图的 X 轴是效率,Y 轴是封装大小,灰色圆圈的面积表示成 本。右边的表格是芯片型号和特性参数。非常好用的地方在于表格和二维图是一一对应的, 选择表格中的器件,则二维图中对应的圆圈变绿,圆圈对应的 X 坐标是芯片的效率,Y 坐 标是封装的大小。同样选择二维图中的圆圈,表格中自动跳转到对应的器件。这样的可视 化操作非常方便工程师根据项目的偏好选择适合的器件。 WEBENCH® 设计工具综述 7 从可视化表格中选择需要的器件,点击“open design”进入到这个芯片的设计界面。 在芯片的设计界面中依旧有“optimization tuning”旋钮,可以对芯片的外围电路进 行优化。改动旋钮,工具会自动计算外围电路的参数。“Charts”图用于显示优化后电流 和效率的关系。“Schematic”是芯片的原理图。“Operating value”表格汇总了电路的主 要参数。“bill of materials”是电路的料单,汇总了电路所需的元器件的参数值、封装、 厂家、封装图片和价格等,用于采购器件。有了原理图和器件工程师就可以把这个设计好 的电源移植到自己项目的大图中。点击这些图和表就会放大,便于查看,点击“back”返 回到从前。 从上图这个工具条中的“bom”“charts”“schematic”“op vals”也可以进入原理图、 料单、参数等大图中。 WEBENCH® 设计工具综述 8 2.3 电源架构设计 电源架构设计是用在系统中的设计方法。系统中各个工作单元众多,每个工作单元都 需要电源供给,这些电源从总电源中分支成为支路电源,支路电源再分支成为某个芯片 或者区域的电源。将这些电源画出来就成为树的结构,称之为“电源树”。电源架构设计 就是应对电源树的设计方法。电源架构设计步骤 :电源树设计 -> 电源树芯片组优化选 择 -> 电源芯片优化选择 -> 电源外部电路优化 -> 仿真和原理图导出 在 WEBENCH 的开始界面点击“power architect”进入电源架构设计。WEBENCH 的电源架构设计正是本着“电源树”的设计思想进行设计的,把工程师从繁重的电流加减, 电压分配、芯片选型中解脱出来,把精力放在系统电源总体设计上。 电源架构设计包括两个部分,电源树根的设计和电源树枝的设计。上图是电源树根 的设计,“add source”是添加电源树的根。如果只有一个根则不用添加,如果电路板有 两个电源输入就添加另一个根。例如上图中添加了 30V 和 5.5V 两个根,并同时设定电源 的电压范围。 添加完电源树根后,就开始添加电源树的枝。在电源树根后面点击“add load”可以 添加支路电源。注意这里有对应关系,例如点击 VCC5.5V 的“add load”,可以看到第 二行的红圈中“loads assigned to DC source VCC5.5V”。图中例举添加了 1.2V 和 1.8V 两个支路。类似可以在 VCC30V 中也添加支路。 WEBENCH® 设计工具综述 9 添加完毕后点击“submit”提交给 WEBENCH 处理。处理后的结果显示为多个图表。 其中一个是图形化的电源树,简析明了。 优化旋钮在电源树的设计中依旧存在,给工程师带来了很大便利,这里不再详述优 化操作,可以参考之前的说明。 优化选择的二维图和选项表格也可以在这里看到,依旧保持对应关系,点击圆圈或者 表格可以在两者间切换,非常方便按照项目的偏好确定效率、成本和封装的均衡。黄颜 色代表被选择的圆圈。这里表示的是电源树整体的效率、成本和封装大小。 整体上的优化结束后,WEBENCH 工具计算出了待选器件。点击下图中的“view project detials”进入下一步。 WEBENCH® 设计工具综述 10 这个步骤中对电源树上的具体的芯片进行选型。电源树(右边)和待选型表格(左边) 有对应关系, 每选择一个器件,工具都会计算具体的效率、成本和封装大小,并以饼图的形式显 示出来,如下图所示。 点击饼图右上角的“creat project”生成最后的工程。可以看到工程中还有“优化旋钮” 存在,可以保持芯片不变的情况下对外部电路进行优化,真可谓优化无处不在。 从上面的过程可以看出,电源架构的设计是这样一个过程 :电源树设计 -> 电源树优 化筛选出一部分芯片 -> 选择具体芯片 -> 芯片外部电路优化。经过这样的过程,一个项 目的电源就设计完毕了,工程师从众多的电源芯片中挑选出自己需要的芯片,所需的时间 也就是十几分钟,按一下“optimizer”旋钮这么简单!有了 WEBENCH 谁都会爱上电源设计。 2.4 FPGA/ 处理器电源设计 FPGA 和处理器电源设计跟电源架构设计很相似,只是在最开始多了一个界面帮助导 入 FPGA 和 CPU 的电源需求。例如下图,先选择好处理器和 FPGA 型号。 WEBENCH® 设计工具综述 11 选择好型号后就会在右面的表格中显示出 FPGA 或者处理器的电源种类和电流。点击 “add load”就把这些电源添加到电源架构设计中。 添加完 FPGA 和 CPU 的电源后,就进入了“电源架构”设计界面,可以参考上一个 小节的讲解。 2.5 LED 电源设计 LED 电源设计方式之一 :用户选择 LED 管和 LED 拓扑,WEBENCH 选择电源。然 后进入电源设计。 LED 电源设计方式之二 :用户输入对光源的要求,WEBENCH 选择 LED,然后提供 用户 LED 拓扑选择,最后再进入电源设计 WEBENCH® 设计工具综述 12 2.6 电源仿真 WEBENCH 工具不只能对芯片进行选型,也可以对电源芯片进行仿真。在上述电源 设计的过程中,会看到设计面板,如下 设计面板的原理图中可以进行仿真,点击原理图后即可进入电源电路,可以看到右上 角有 Run Simulation,可以对电路进行仿真。 进入仿真界面,可以看到左上角的下拉菜单中的仿真项,从上往下分别可以对电源的 负载暂态响应”“输入暂态响应”“上电”“波特图”““稳态”进行仿真,从仿真结果中可 以看到电路的性能。需要注意的是“波特图”仿真不是每个芯片都有,在选择了带有外部 补偿电路的芯片才可以进行这项仿真(有 comp 管脚)。 WEBENCH® 设计工具综述 13 选择仿真项后,点击 start new simulation,仿真数据提交给 webench,仿真完毕后 显示出图形曲线,这个过程根据网速不同一般要等待 1 分钟左右,上电仿真图如下 上电仿真图 从 左 上 角向 右 下角 左 键 框 住图形即可放大 图中默认将输入电压 Vin 和输出电压 Vout 进行显示,点击 Waveform control 按钮可 以添加更多电路中的参数波形 WEBENCH® 设计工具综述 14 在 Waveform control 界面中选择 Add/remove waveforms 选型卡,可以看到右侧有 更多电路参数可以添加或者删除,图中将 Iout 添加。 用相同方法,可以进行“输入暂态响应”“负载暂态响应”“稳态”“波特图”仿真, 仿真图如下 输入状态 输出状态 稳态 波特图 在仿真过程中,用户可以改变元件的值查看仿真结果,这样可以用 WEBENCH 按照 用户需要对电路进行二次设计。修改元件的方法如下 WEBENCH® 设计工具综述 15 用鼠标左键点击元件,即可看到对话框,点击 Edit 后即可选择其他参数的元件。在 下图元件编辑界面中分为两个部分。左边是以图形进行综合显示,帮助用户从整体上对元 件的参数,第一行的下拉菜单可以对元件的厂家进行选择,第二行有三个下拉菜单,可以 对图中的 X,Y 和 Z 轴进行控制,例如可以设置用 X 轴表示电容值,Y 轴表示封装大小, Z 轴表示价格(Z 轴用颜色的深浅表示)。右边是以表格的形式进行显示,表格中列出了 元件的参数和厂家。右边最上边显示的是当期选择的元件,中间是 WEBENCH 推荐的元 件参数的上限和下限,下方是各种待选元件。 左边的图形和右边的表格是互相对应的,在图形中选择可以在表格中看到结果,在表 格中选择可以在图形中看到所处的位置。点击表格中的“Select”对元件进行选择后即可 返回到设计界面继续进行设计。 WEBENCH® 设计工具综述 16 2.7 原理图导出 设计好电源后,可以对设计原理图进行导出,在 WEBENCH 界面的第一行可以看到 “CAD export”按钮,控制对原理图的导出。 点击“CAD export”按钮后,打开导出对话框 WEBENCH 可以 对 业界 多种 CAD 软件 进 行原 理 图 导出, 以 Altium 为 例, 选 择 AltiumDesigner 后点击 export WEBENCH 开始对原理图进行格式转换,转化完毕后点击“Download file”即可下 载原理图。 WEBENCH® 设计工具综述 17 将 Altium 格式的原理图下载保存后,用 Altium 打开可以看到设计好的电源原理图。 需要注意的是元件封装没有包含在原理图中,需要用户根据实际采购的物料加入封装信 息,然后导入 PCB 进行电路板设计。 综上所述 WEBENCH 工具最大优点是具备系统级的设计方法,并且每个步骤都具有 优化功能,可以辅助工程师从电源芯片的海洋中挑选出适合项目的芯片和电源方案,并且 具备详细的仿真功能,可以查看电路中的关键节点。是一个系统级的电源设计工具。 WEBENCH® 设计工具综述 18 三、WEBENCH 电源设计优化实例 3.1 开关电源参数间的矛盾和联系 利用 WEBENCH 进行电源的设计和学习是一件很有意思的事情,WEBENCH 的最 大好处在于它可以进行优化选择,在进行优化时 WEBENCH 也是遵循开关电源工作原理 进行的。本小节对开关电源的几个相互制约的参数进行介绍,帮助读者更好的理解电源 优化设计的过程。 开关电源设计中主要关心的是效率、成本和体积,这几个方面不能同时达到最优。 WEBENCH 也是围绕这三个方面进行优化的。跟效率、成本和体积紧密相关的因素包括: 开关频率,电感,MOS 管开关损耗和 MOS 管导通损耗。 3.1.1 开关频率和电感 先来分析一下开关频率和电感之间的关系。开关电源中用到的就是电感的基本物理特 性 :U=L*di/dt 。把电感移到等式左边,电流的微分用电流变化量比上时间变化量来表示, 即可得到 L= = 考虑到开关电源的占空比则 =,这样可以很清楚的看到电感和开关频率的关系。在不 变的情况下开关频率增大可以降低 L 的值,L 值降低则意味着电感体积的减小。用图来 解释更为直观,如下图 : 图中将一个长时间的充电分散成为多个短时间的充电,总的充电时间不变。对于电 感来说相当于一个储能元件,充电时将电流转换为电磁能,放电时将电磁能转换为电流。 开关频率低时,充电时间长,就需要一个容量大的电感来吸收这些能量(电感容量越大, 电感感值越大),如果容量不够则会引起电感的磁饱和。下图是电感值变化和磁饱和的关 系图,从左至右随着电感值增加,电感饱和现象逐渐消失。 WEBENCH® 设计工具综述 19 电感值不够电感饱和 增大电感饱和时间缩短 继续增大电感消除饱和 根据这个原理,在单位时间内将一个长时充电分散为多个短时充电,这样所需的电 感容量就会下降。这样对应到开关电源中就是升高开关频率可以有效降低电感体积。如 下图所示,Y 轴表示体积,X 轴表示开关频率。用一个基础的开关电源模型仿真,可以 看到随着频率增加,电感(inductor)体积逐渐减小。 需要注意的是,开关频率不能过高,要考虑到电感磁芯的高频损耗。 3.1.2 开关频率和 MOS 管 再来分析一下开关频率和 MOS 管之间的关系。MOS 管在开关电源中是作为电子开 关使用的,工作中截止和导通两个状态交替进行。下面分析一下这个交替过程中的电流和 电压。下图是 MOS 管的关断和导通时的暂态,图中将这个短暂的瞬间进行了时间上的放 大,清晰的展示了和的关系(是漏源电流,是漏源电压,两者相乘就是 MOS 管的功率消耗)。 WEBENCH® 设计工具综述 20 MOS 管关断时的暂态 MOS 管导通时的暂态 从图中可以看出,MOS 管并不是理想的开关,关断和导通是需要时间来完成的,在 这个时间内(左图的 t5,右图的 t3)和的乘积不能忽略,这个就是 MOS 管的开关损耗。 这个损耗转化为 MOS 管的发热,关断和导通状态转换越多损耗越大,这也是所有数字 器件工作频率越高功耗越大的原因。通过对 MOS 的分析,可以看出开关电源中,开关频 率越高 MOS 管的开关损耗越大。 最后分析一下 MOS 管的开关损耗和传导损耗的关系。MOS 管的另外一个损耗是导 通损耗,这个是因为 MOS 管导通后有电阻所致,就会产生功率损耗。这个损耗跟 MOS 管的裸片面积成反比关系。MOS 管面积越大,其电阻和传导损耗就越低,但是大体积 器件因为栅极输入电容较大延长了关断和导通的转换时间,增加了开关损耗。所以开关损 耗跟传导损耗也是一个矛盾关系。MOS 管的数据手册中会说明导通电阻 下图显示了两种不同工作频率 ( 频率 F2 >F1) 下开关损耗和传导损耗之间的关系。X 轴表示 MOS 管芯的面积,Y 轴表示功率损耗。传导损耗 (Pcon) 与工作频率无关,只随 管芯面积增大而减小。而开关损耗 (Psw F1 和 Psw F2 ) 与工作频率成正比例关系。因此 更高的工作频率 (Psw F2) 会产生更高的开关损耗。当开关损耗和传导损耗相等时,每种 工作频率的总损耗最低。 WEBENCH® 设计工具综述 21 但是,在更高的工作频率下,最佳裸片面积较小(例如 F2 频率下最佳裸片面积小于 F1 频率下的),从而带来成本节约。实际上,在低频率下,通过调整裸片面积来最小化损 耗会带来极高成本的设计。但是,转到更高工作频率后,我们就可以优化裸片面积来降 低损耗,从而缩小电源的半导体体积。 通过上面的分析可以看出 MOS 管和电感对开关频率需求的矛盾关系,一方面提高开 关频率可以有效的降低电感体积,即节省了 PCB 面积、节省了电感成本 ;另一方面提高 开关频率增大了 MOS 管的开关损耗和电感磁芯损耗。这样就需要利用 WEBENCH 提供 的优化旋钮,用户选择优化方向后 WEBENCH 计算出合适的开关频率,电感和 MOS 型号。 总结几点常用的规律,列在表格中。 变量 1 开关频率 变量 2 变量 3 电感体积 效率 MOS 管的传导电阻 MOS 管芯面积 开关频率 变量 4 规律 开关损耗 频率越高,电感值越小,感值越 小电感 体 积 越 小, 但 是 开 关 损 耗越大,电源效率下降 电感体积 MOS 管传导电阻越小,管芯面 积 越 大, 管芯 面 积 越 大 允许的 开关频率越小,开关频率越低电 感体积越大 3.2 buck 开关电源设计实例 例如设计一个 BUCK 型降压开关电源,要求输入电压范围 10V-15V,输出 3.3V, 负载电流 2A,效率优先并要求效率 90% 以上。对电源的功能要求,要求带缓起(soft start),同步开关和开关频率可调。这个电路设计需要经过芯片优化选择和芯片外围电路 优化两个步骤。 WEBENCH® 设计工具综述 22 3.2.1 . 芯片优化选择 先进行芯片优化选择,按照之前单电源设计章节介绍进入 WEBENCH 开始界面, 在 basic selection 中输入电压和电流的要求,然后点击“show recommended power management ICs”让 WEBENCH 选择合适的开关电源。 WEBENCH 进入设计界面,设计要求效率优先,可将优化旋钮调节在靠近“Highest efficiency”的位置(设计如果要求成本或者体积优先则可以波动到相应的位置),在设计 界面中看到”feature filters”,选择所需要的功能,缓起,同步开关和开关频率可调。在“filter results”中对效率“efficiency”选项进行修改,拖动滚动条到 90% 位置。WEBENCH 将按照用户输入的条件对电源列表进行选择,选择出能满足条件的电源芯片。 在列出的电源芯片中,可以看到 WEBENCH tools 一栏有 5 个小图标,这 5 个小图标 表示这个芯片在 WEBENCH 能支持的功能。“cc”表示电路计算器,“温度计”表示可以 进行热仿真,“正弦波”表示这个芯片电路可以仿真,“购物车”表示能够买到这个芯片的 demo 板,“CAD”表示支持原理图导出功能。 WEBENCH® 设计工具综述 23 在图标中可以看到 WEBENCH 筛选出的几个解决方案。X 轴表示效率,Y 轴表示占 用 PCB 面积,Z 轴表示成本(用圈的面积表示大小)。可以看到成本和效率较为折中的方 案是中间的圆。右上方的的圆虽然效率很高,但是成本和面积太大。点击中间的圆,可 以看到表格中显示出 LM3150 芯片解决方案。 3.2.2 外围元件优化选择 点击 LM3150 的“open design”进入芯片外围电路设计界面。 在设计界面中有几个地方可以进行优化,一个是“优化旋钮”在效率、成本、面积之 间优化,一个是开关频率。优化旋钮下方可以看到优化结果的面积、成本和效率。需要 注意的是频率的选择框中要打勾才能进行频率修改。 WEBENCH® 设计工具综述 24 3.2.3 三种优化方案对比 先来看看 WEBENCH 对 LM3150 在最高效率、最小面积和中间方案中的优化对比结 果。方案对比如下 : 方案 效率最高 面积最小 折中 面积 开关频率 效率 1350 100K 95 485 537.8K 92 595 342.3K 93 成本 10.71 3.87 4.07 可以看到在效率最高的方案中开关频率最低但占用面积最多,面积最小方案中开关频 率最高但效率最低,这跟上一个小节中介绍的原理完全一致。高的开关频率使电感体积 减小但是增大了 MOS 的开关损耗,低的开关频率则相反。从对比结果中还可以看到效率 最高方案的成本是其他两个的 2 倍还多,下面的对比分析能说明其中的原因。 再来看看这几个方案中电感元件的对比。从对比中可以看到效率最高方案中电感的直 流阻抗最小损耗最小,但是由于开关频率低需要使用大电感导致电感占用面积最大(直流 电阻小的电感需要更粗的线圈,也增加了电感的体积)。这也验证了上一个小节的分析结果。 并且其成本是其他两个电感的 30 倍,这样权衡下来选择效率最优方案并不明智。 WEBENCH® 设计工具综述 25 方案 型号 直流电阻 欧 面积 感值 功率损 耗 成本 图片 效率最高 7443634700 0.012 541 47uH 0.061 6.7 面积最小 SRN8040 0.033 100 6.8uH 0.165 0.21 折中 SRR1240-100M 0.032 210 10uH 0.16 0.41 最后再对比一下 MOS 管的不同,在效率最高方案中为了降低 MOS 管的传导损耗, WEBENCH 选择了裸片面积大的 MOS。这个 MOS 具有最小的导通电阻,最强的通流能 力,但是同时带来了两倍的占用面积和两倍的成本。这同时验证了上一节介绍的提高效率 时 MOS 管的选择趋向。 方案 效率最高 型号 CSD17308Q3 导通电阻 RdsOn 封装 foot print 通流能力 current 成本 cost 图片 0.0094 58 47 0.34 面积最小 CSD17313Q2 0.026 32 5 0.17 折中 CSD17313Q2 0.026 32 5 0.17 3.2.4 方案的仿真分析 在选择了芯片和芯片外围方案后,就需要对电路进行仿真,查看电路的关键电气特 性,例如效率随电流的变化,损耗随输入电压变化以及暂态响应、稳态响应等等。下面 对 WEBENCH 可以提供的强大仿真功能进行分析和讲解。 在 WEBENCH 的设计界面上有“Charts”和“Schematic”两个窗口可以对电路进行 仿真。这两个仿真的不同之处在于“Charts”窗口是以图表的方式将电路的参数随输出电 流,输入电压的变化规律表示出来,“Schematic”窗口是用时域图和频域图表示电路的 暂态、稳态以及环路特性。从这两个仿真的特点可以看出“,Charts”是从宏观上分析电路, “Schematic”则分析电路的细节。电路设计者需要从整体上查看电路能否满足输入和输 出要求时可以进入“Charts”进行仿真,需要检查电路的时域响应时可以进入“schematic” 进行仿真。下面分别对这两个仿真窗口进行介绍。 WEBENCH® 设计工具综述 26 3.2.4.1 图表仿真举例——理解效率随 Vin 变化曲线 在电源设计界面点击“Charts”进入图表仿真。可以看到系统默认将效率和占空比仿 真图绘制出来。 除了这两个重要的图表外,WEBENCH 还提供多个参数的图表,点击“View other Charts”可以添加多个参数随输入电压和输出电流的变化曲线。如下图,在方框中选择并 点击“Save”即可。 下面对图表中的几个常用参数进行分析,使读者能结合 WEBENCH 更深入的理解开 关电源的工作原理和规律。 效率随输入电压和输出电流曲线 WEBENCH® 设计工具综述 27 这个图是开关电源都会给出的效率曲线,它表示了开关电源在其应用场景中的效率 表现。效率是衡量开关电源的一个很重要的指标,所以理解这个图对设计 BUCK 型开关 电源使其工作在最佳效率很有帮助。图中 X 轴是输出电流,Y 轴是开关电源的总体效率。 图三条曲线分别是低、中、高三个输入电压下的仿真结果。可以看到 BUCK 型开关电源 效率曲线有两个变化规律 :1、随输出电流变化有一个最高点,在这个最高点两边,效率 都会下降。2、效率随输入电压的升高而降低。 输出有用功率 在分析这个变化规律前,先看一下开关电源效率的定义 :E= 输入总功率 。其中输 入总功率减去输出有用功率等于开关电源的功率损耗。这是一个能量守恒的公式,开关 电源本身不能产生能量,它只能把输入的能量进行转化,满足后级电路要求。在这个过 程中开关电源的有源和无源元件都会产生损耗,使效率不能达到 100%。根据公式要分 析效率的变化规律就要搞明白功率损耗的变化规律,理解了损耗的产生就能有目的并且有 效的调整电路,使效率达到最优。 第一步 :确定主要损耗元件 LM3150 同步 BUCK 电路 分析损耗前先看一下电路结构。WEBENCH 设计的 LM3150 是一个典型的 BUCK 型 同步开关电源,之所以叫“同步”是因为 LM3150 有 LG 端口控制 M2 开关管,M2 替代 了二极管最为放电中的回路开关。M1 和 M2 的通断状态是相反的同步的,所以称为“同步” 型开关电源。充电周期 M1 导通 M2 关断,电流按照上图中大圈流动。放电周期 M1 关断 M2 导通,电流按照上图小圈流动。图中重要的功率相关外围元件包括:输入电容、输出电容、 蓄能电感、MOS 管。其它元件是模拟小信号电路中的,自身损耗极小。在 WEBENCH 仿真中添加各个元件的损耗曲线,查看最大损耗汇总表格如下(M1 和 M2 选择了相同的 型号 CSD16301Q2): 元件 损耗(mW) 储能电感 80 MOS 管 M1 60 MOS 管 M2 125 输入电容 1.79 输出电容 1.6 从表中可以看出,电路中 MOS 管和电感是功率损耗的主要元件,它们的损耗规律对 WEBENCH® 设计工具综述 28 开关电源的效率影响最大。 第二步 :分析电感损耗随 Vin 变化 电感损耗 先看一下上图的电感损耗,X 轴是输出电流,Y 轴是损耗功率,三种颜色代表不同的 输入电压。电感是无源器件,因为功率电感是带磁芯的线圈,线圈有电阻,所以电感存 在磁损耗和电流损耗。磁损耗跟开关频率有关,不随输入电压变化,线圈的电阻损耗跟 电流成正比。所以图中电感损耗的三条曲线重叠在一起,并随输出电流的增加而增加。 第三步 :分析 MOS 管损耗 再来看一下 MOS 管的损耗,在同步型开关电源中有两个 MOS 管,负责充电回路 的为 M1,负责放电回路的为 M2. 如 3.1.2 节所述,MOS 管分为开关损耗和传导损耗, WEBENCH 仿真的开关损耗如下图 : MOS 管开关损耗 WEBENCH® 设计工具综述 29 可以看出 M1 和 M2 开关损耗有很大的不同,M1 开关损耗随输入电压变化,而 M2 的开关损耗不随输入电压变化。两个 MOS 管随输出电流变化的趋势一致,随输出电流变 大损耗增加。需要注意的是开关损耗是一个非线性过程,仿真软件很难做到跟实际电路 一模一样,需要在实验中具体调试。 下面对比一下 M1 和 M2 的传导损耗,开关电源不同于 LDO 的连续能量传输,开关 电源是一个非连续转换能量的过程,输入电压通过 M1 以脉冲方式给电感电容充电,放 电过程通过 M2 进行。示意图如下 忽略元件损耗时输入能量近似等于输出能量,在上图中就是 Vin 的充电面积等于 Vout 的放电面积。Vout 的面积没有变化,所以就要求 Vin1 和 Vin2 的面积相同,当 Vin1 降低为 Vin2 时为了保持能量不变,Vin2 的持续时间将会增加,图中表现为脉宽变宽。对 应到开关电源中,Vin 降低时,M1 的导通时间增加(充电时间),M2 的导通时间缩短(放 电时间),反之亦然(可参考上面 LM3150 同步 BUCK 电路图)。 MOS 管传导损耗 WEBENCH® 设计工具综述 30 传导损耗跟导通时间和电流有关并成正比。从上面的开关电源充放电分析可以看出, Vin 的大小影响了 M1 和 M2 的导通时间(占空比)。M1 和 M2 的导通关断是互补的,此 消彼长,表现在图中也是随 Vin 的变化相反。 从 M1 和 M2 的传导损耗图中还可以得到一个很有用的规律 :在不同的 Vin 条件下, M1 和 M2 的导通损耗和不变。正是由于 M1 和 M2 的互补性产生这一规律。从图中取点 进行验证(鼠标指针放在在曲线上即可),如下表 Vin(V) 15 12.5 10 Iout=1.4A 时 M1(W) M2(W) 0.0356 0.0104 0.0336 0.0124 0.0305 0.0155 sum(W) 0.046 0.046 0.046 Vin(V) 15 12.5 10 Iout=1.79A 时 M1(W) M2(W) 0.0595 0.0174 0.0559 0.0209 0.0507 0.026 sum(W) 0.0769 0.0768 0.0767 可以看到尽管 Vin 不同时 M1 和 M2 传导损耗不同,但是二者的和是不变的。表中任 意选择了 1.4A 和 1.79A 两个位置进行验证,都符合这一规律。 MOS 管总体损耗 分析完 MOS 管的开关损耗和传导损耗,将两者加起来就可以得到 MOS 管总损耗, 上图是 MOS 管的总损耗,可以看到随 Vin 的变化规律 :Vin 越大 MOS 管的总损耗越大。 结合开关损耗和传导损耗的分析结果得到 :随着 Vin 增大,M1 的开关损耗增大而传导损 耗减小,但是增大的幅度大于减小的幅度,最终 M1 表现为随 Vin 增大总损耗增大。对 于 M2,随 Vin 增大,M2 的开关损耗不变,传导损耗增大,最终表现为随 Vin 增大总损 耗增大。 通过对电感和 MOS 管随 Vin 的损耗分析可以看到,电感的损耗不随 Vin 变化,而 MOS 管损耗随 Vin 变大,这也就是为什么 BUCK 开关电源的效率会随 Vin 增大而降低的 原因。在最优点的两边,效率都会下降,这个可以通过对比损耗 Pd 和有用功率 Pout 的 变化率来分析,如下表 : WEBENCH® 设计工具综述 31 Iout (A) 2.000 1.200 0.600 M1 Pd (W) 0.056 0.026 0.010 Vin=10V 变化率是相对于 1.2A 时 M2 Pd (W) L Pd (W) IC Pd (W) 总 Pd (W) Pd 变 化率 0.124 0.059 0.024 0.083 0.030 0.007 0.076 0.076 0.076 0.339 0.191 0.118 0.779 0.000 0.380 Vout=3.3V Pout 功 率 (W) 6.600 3.960 1.980 Pout 变 化率 0.667 0.000 0.500 Vin 不变时,当 Iout 大于最优点的输出电流时,这时元件的损耗增加速度(77.9%) 会大于有用功率增加速度(66.7%),当 Iout 低于最优点的输出电流时,特别是输出电流 较小时效率会有急剧下降。这是因为损耗随 Iout 减小速度(38%)慢于有用功减小速度 (50%)。所以在最优点的两边,效率都会下降。 通过 WEBENCH 的仿真可以帮助用户对开关电源有更深入的了解,从效率的分析可 以看出,开关电源效率不只是跟电路的设计有关,也跟外部的输入电压和负载电流有关, 在设计和测试开关电源时就要保证输入电压和负载电流不变,这样才能对比调节电路产 生的效果。 3.2.4.2 原理图仿真举例——开关电源的缓起 LM3150 具备缓起功能,缓起功能是为了调整开关电源的上电时间,使上电的启动斜 率变缓,这样可以减小后级电路中电容的充电电流(I=C* )。先看看 LM3150 的内部结构, 了解一下缓起实现的方法。 如上图所示,缓起单元由外部电容 Css、内部电流源 Iss、内部比较器、内部参 考 Ref0.6V 以及反馈 FB 组成。在上电的时刻,当 Vin 没有超过 UVLO(under voltage Lock out)门限时,电流源 Iss 会被下方的 MOS 管接地,也就是 SS 管脚接地。这时 WEBENCH® 设计工具综述 32 Vout 被限制在 0V,这是一种保护机制,防止外部电压低时 Vout 出现异常对后级电路造 成影响(例如 CPU 供电异常时其 IO 口会出现错误状态,误触发外部硬件造成损坏)。当 Vin 超过 UVLO 门限后,Iss 电流源开始对 Css 充电,这时 SS 管脚电压以斜坡方式增加, 充电电流恒定则斜率不变。在 SS 管脚电压没有达到 0.6V 前,会限制 FB 跟随 Css 的充 电斜率进行上电。由于 Vout 乘以分压等于 FB 电压,所以 Vout 也会以这个斜率上升直至 达到额定电压。缓起时间由 Css 决定,计算公式如下 : Vref=0.6V,Iss=7.7uA 了解了 LM3150 的缓起功能后,可以用 WEBENCH 进行仿真,看看缓起的效果。在 设计界面点击“Schematic”原理图即可进入仿真 在仿真界面可以看到右上角的“simulation”图标,点击图标 可以进入仿真控制窗口,在这里可以选择仿真的类型,我们选择 start up 仿真启动过程。 WEBENCH® 设计工具综述 33 点击“start new simulation”进行仿真,几秒钟的计算后可以看到仿真结果 从图中可以看到蓝色 Vin 快速上电后 Vout 并没有立即上电,而是以斜坡方式缓起动。 启动时间通过添加 Marker 点查看,在电压达到额定电压时上电时间为 1.144ms。原理图 中 Css 取值为 15nF 带入前面公式,可以得到上电时间 Tss=1.17ms。两者十分吻合。 Mark 点的添加可以通 过在仿真图左上角的“wave control”中进行,点击“wave control”按钮后可以看到如下对话框,不仅能添加 mark 点,也能添加原理图中其他元件 的电参数波形。 WEBENCH® 设计工具综述 34 3.2.4.3 热仿真和 PCB 布局 利用 WEBENCH 平台进行完毕芯片选型优化,电路优化和仿真后,一个电路方案已 经初具雏形了,但是还有一个关键的步骤没有进行——这就是热仿真。热设计对于初级 电子工程师来说较为陌生,当你将设计好的电路交给项目经理时,项目经理会问 :这个电 路发热量为多少?我需要让结构工程师设计多大的散热器来降温?这个电路的热量是否会 使临近电路过温或者机壳温度超标?这些问题都涉及到热设计,你不能让结构工程师等 你调试完电路并测试完发热量后才开始设计整机的结构。WEBENCH 提供强大的热仿真 功能,帮助你提交更全面的设计方案,快速完成设计工作! 在介绍 WEBENCH 热仿真前先简单介绍一下热设计。为什么要进行热设计 ? 高温对 电子产品的影响:绝缘性能退化;元器件损坏;材料的热老化;低熔点焊缝开裂、焊点脱落。 温度对元器件的影响 :一般而言 , 温度升高电阻阻值降低 ;高温会降低电容器的使用寿 命 ;高温会使变压器、扼流圈绝缘材料的性能下降,一般变压器、扼流圈的允许温度要 低于 95C ;温度过高还会造成焊点合金结构的变化—IMC 增厚,焊点变脆,机械强度降 低 ;结温的升高会使晶体管的电流放大倍数迅速增加,导致集电极电流增加,又使结温 进一步升高,最终导致组件失效。热设计的目的 :控制产品内部所有电子元器件的温度, 使其在所处的工作环境条件下不超过标准及规范所规定的最高温度。最高允许温度的计 算应以元器件的应力分析为基础,并且与产品的可靠性要求以及分配给每一个元器件的 失效率相一致。 在原理图仿真界面的右上角可以看到“Run thermal simulation”图标,点击后即可进 入热仿真 热 仿 真要 仿 真 的 准 确 就 要 把电 路 所 处 的 散 热 环 境 设 定 好, 跟散 热 相 关 的 一 般 包 括 :环境温度,PCB 铜皮厚度和芯片布局,风,单元电路周边区域温度。这些设置在 WEBENCH 热仿真中都支持,在热仿真界面的左边可以看到“thermal sim parameters” 设置窗口。从上到下依次为 :工作条件,环境温度,电路板条件,气流,边缘温度。气 WEBENCH® 设计工具综述 35 流窗口中有 4 个方向可以设定风扇吹风的走向,也可以设定不用风扇自然散热。 在热设置窗口右面是 WEBENCH 推荐的 PCB 布局布线,这是一个很好的例子,能 看到专业电源工程师设计的 PCB,对实际中进行 PCB 设计有很大帮助。需要注意的是, 电源 PCB 中走线多用覆铜进行,图中看到的细线是分割线,分割线是没有铜的地方。覆 铜代替走线可以增大导线的面积,提高通流能力,并且降低寄生电感,使滤波电容起到好 的效果。调节放大和缩小将图调整到合适大小。点击“run simulation”即可开始热仿真。 WEBENCH® 设计工具综述 36 热 仿 真 计 算 量 大, 系 统 需 要 2 到 5 分 钟 的 时 间, 仿 真 完 毕 后 点 击“current simulation”查看仿真结果 设置不同条件的仿真结果都存在“all webTHERM simulations”里,可以双击打开对 比查看。要改变条件进行新仿真可以点击“creat a new simulation”按钮。 仿真结果是用颜色来表示的,越红温度越高,越蓝温度越低。查看时需要根据电路 的发热情况设计最大和最小温度,才能使颜色分明方便查看。例如如果电路的最高温度 在 50 度,设置显示的温度范围为 30 度到 125 度,则看到一片蓝色,高温区不明显了。 应该设置为 25 度到 60 度,这样才能使颜色分明。 仿真 结果 如下图, 可以看 到 M2 的 温 度 比 M1 高,M2 的 功 率 损 耗 140mW,M1 的功率损耗 65.6mW,所以在近似的散热条件下 M2 的温度升高的多一些。MOS 管 CSD16301Q2 数据手册上给出“junction to ambient”硅片热源节到表面空气的热阻为 Rja=69 度 /W,“junction to case”芯片热源到芯片表面的热阻为 Rjc=8.4 度 /W,这样 可以得到芯片表面到空气的热阻 Rca=Rja-Rjc=60.6 度 /W。仿真设定的环境温度为 30 度, 可以计算得到 MOS 管 M2 的表面温度为 0.14*Rac+30=38.5 度。WEBENCH 仿真汇总 表中的 M2 温度 41 度,这是因为 WEBENCH 考虑到了周围器件的发热,所以比理论计 算的 38.5 度高一些,更接近实际。有了 WEBENCH 的辅助功能,省去了热计算的繁琐工作, 电路温度一目了然。 WEBENCH® 设计工具综述 37 下图是 MOS 管 CSD16301Q2 手册中的热阻,热阻参数不止一个,描述的热阻位置 也不一样。热阻的概念类似电阻,电流经过电阻会产生电压差,热流经过热阻会产生温差。 电流从高压向低压流动,热流从高热向低热流动。如图根据热流方向 :T2-R*P=T1. 数据手册中常给出以下热阻参数 :Rjc(硅片 PN 节到芯片封装表面的热阻),Rja(硅 片 PN 节到芯片附近空气的热阻)。热设计中 Tj 为硅片 PN 节的温度,芯片手册对这个温 度有最大值要求,过温影响芯片性能或者损坏。根据前面热流分析,这些参数有如下关系: 芯片表面温度 Tc = Tj- Rjc * P 或者 Tc = Ta + Rca *P 芯片 PN 节温 Tj = Ta + Rja * P 芯片表面到环境空气热阻 Rca = Rja – Rjc 这些公式都中在实际中可以测量到的是 Ta(环境空气温度)和 Tc(芯片表面温度) 以及 P(芯片功耗),根据手册的热阻可以计算出 Tj 温度,Tj 要求在手册说明的范围内电 路才可靠。如果 Tj 超温就要改进散热途径,使 Ta 降低(例如加风扇或者加散热片,加 散热片后芯片不再接触空气,使用 Rjc 热阻即可)。 以 LM3150 的手册热阻为例,如果测试芯片附近空气温度为 50 度,芯片功耗 0.1W, 4 层板,则 Tj= 50+ Rja*P= 50+ 40*0.1=54 度。 WEBENCH® 设计工具综述 38 3.2.5 方案原理图导出 设计方案经过优化和仿真后就要开始设计原理图和 PCB 了,WEBENCH 提供原理图 导出功能,这样工程师不要再把设计原理图抄到 EDA 软件中了,节省了大量时间。在设 计界面的上方工具条中点击“CAD”或者在右下角中选择“CAD export”。 可以看到 WEBENCH 支持几种业界流行的 EDA 软件,例如 Altium、Cadence 和 Mentor 等。导出方法可以参考前面章节,此处不再累述。 3.3 boost 开关电源设计实例 Boost 开关电源设计优化过程跟 BUCK 型开关电源类似,一些基本规律也一致,例 如电感体积随开关频率升高而减小,开关损耗随开关频率升高而增加。充分理解开关 电源的一个基本拓扑后对学习其它类型的拓扑很有帮助。在选型对话框中输入 Vin 电压 范围和 Vout 电压,当 Vout 大于 Vin 后要求电源有升压功能,WEBENCH 会自动选择 BOOST 开关电源。 WEBENCH® 设计工具综述 39 BOOST 开关电源选型中也会有类似 buck 电源的优化,在效率,体积,成本三个条 件中进行,芯片选型后再进行外围电路优化,可以参考 buck 电源设计一节,这里不再累述。 本节用一个具体例子介绍一下 boost 跟 buck 开关电源的区别。目的在于抛砖引玉,希望 工程师在用 webench 设计电源中能充分利用其选型和仿真功能,快速高效的设计开关电 源。 3.3.1 Boost 电路电流路径分析 下图是 LM3478 boost 开关电源电路,以这个基本 boost 电路为基础介绍一下 boost 电路以及和 buck 电路的区别。 根据 WEBENCH 推荐的电路,先看一下 boost 电路的外围功率器件,LM3478 是 boost 电路的控制器,L1 是功率电感,M1 是外部 MOS 管控制充电,D1 是放电回路中的 二极管。Cin 和 Cout 是输入和输出电容。 WEBENCH® 设计工具综述 40 LM3478 是异步开关电源,让我们对比一下同步开关电源和异步开关电源的区别。上 一节中介绍的 BUCK 电路 LM3150 有两个外部 MOS 管,一个负责对电感充电一个负责 放电,此处 boost 电路中只有一个负责充电 MOS 管,电路中放电开关由 D1 二极管取代。 D1 二极管是不受 LM3478 直接控制的,由加在两端的电压控制导通关断,所以 LM3150 这类两个 MOS 管的开关电源称作“同步开关电源”,LM3478 这类一个 MOS 加一个二极 管的称作“异步开关电源”。 再分析一下 LM3478 电路的电流回路。在充电周期 :M1 导通,M1 导通后 D1 的正向 端接地,D1 关断,电流从 Vin 流出对 L1 充电后由 M1 流回 Vin 电源(如上图小圈回路)。 放电周期 :M1 关断,D1 的正向端得到释放,由于在 M1 断开时 较大,所以 L1 的感 应电动势会比 Vin 还高,D1 正向端电压为 Vin+ L* 高于负向端电压,D1 导通,电流 从 Vin 流出经过 L1 再经过 D1 和负载流回 Vin 电源(如图中大圈回路所示)。Boost 电路 利用了 L1 的感应电动势高的特点,使 Vout 得到升高,可以达到 Vin 的数倍。 3.3.2 开关电源的波特图仿真 LM3478 开关电源有 COMP 管脚用于调节控制环路的补偿。所以在 LM3478 电路图 仿真中有“bode plot”波特图仿真这一项。不只是 LM3478,只要是带有 COMP 管脚的 控制器在 WEBENCH 中都有波特图仿真功能。上面介绍的 LM3150 没有 COMP 管脚, 它的控制环路补偿基于“Constant On-Time (COT)”技术在芯片内部完成,节省了外部 器件的数量。下图是 LM3478 的内部原理框图中误差放大器部分。 可以看到误差放大器的输出用于控制 Vout电压,Vout电压经分压后送入 FB反馈管脚, FB 是连接在误差放大器的负向端,属于负反馈系统。与《模拟电子线路基础》课程中所 讲的负反馈原理一致,开关电源的负反馈系统也涉及到稳定性问题,如果反馈的相移过 大超过 180 度,则负反馈变为正反馈,开关电源将产生震荡。所以设计开关电源时要仿 真其波特图,验证稳定性。 WEBENCH® 设计工具综述 41 在 原 理 图 仿 真 界 面 中, 选 择 仿 真 类 型 为“bode plot”, 然 后 点 击 开 始 仿 真, WEBENCH 将绘制电路的波特图。仿真结果如下,蓝色线是相位偏移,红线为环路增益, 可以看到在环路增益 0db 时,相位偏移为正 20 度,满足稳定性条件。 3.3.3 boost 开关电源效率仿真 分析完稳定性再来看一下效率变化情况。在图表仿真中可以发现 Boost 开关电源与 buck 开关电源在效率随 Vin 变化上有区别 :Vin 越高效率越高。这个变化跟 buck 电路正 好相反。 同样的分析思路,先看看电路中损耗最大的元件,在图表仿真中将各个功率器件的 WEBENCH® 设计工具综述 42 损耗列入下表 元件 损耗(mW) 储能电感 190 MOS 管 M1 243 二极管管 D1 249 输入电容 0.04 输出电容 13.4 可以看出储能电感、MOS 管和二极管是损耗最大的元件,分析他们的损耗情况就能 找出效率随 Vin 变化的原因,下面导出他们的损耗曲线,如下图 从仿真结果可以看到,除了二极管随 Vin 变化的三条曲线重合外,MOS 管和 L 的损 耗都是随 Vin 变大而降低。所以总体损耗也是随 Vin 增大而降低,从而得到效率随 Vin 增大而增加的结果。 从 BUCK 和 BOOST 开关电源的效率分析可以看出一个共同点 :当 Vin 和 Vout 的差 值缩小时电源效率升高。这原因从理想开关电源的角度递推更为直观 :当 Vin 和 Vout 的 差距缩小时,占空比逐渐增大,当 Vin 等于 Vout 时,占空比达到 100%,开关不用再切换, 直接将 Vin 供给 Vout 即可,这种情况下效率能接近 100%。 3.4 FPGA 电源设计实例 FPGA 和处理器是大规模的集成电路,一般都分为核电压和 IO 口电压,并且根据芯 片内部的集成资源还会有模拟电压和时钟电压等。所以这类芯片的供电设计是一件较复 杂辛苦的事情。在没有 WEBENCH 软件时,工程师要阅读 FPGA 手册,详细看了电源说 明后才能着手设计电源树并为电源树选择供电芯片。这将耗费工程师大量的时间和精力, 如果因为不熟悉芯片出现错误,那么多层 PCB 板将报废并且耽误项目进度。 考虑到这种情况,WEBENCH 提供了支持 FPGA 和处理器电源设计的功能,合理使 用此功能可以大大提高电源设计效率和成功率。 在前面的 2.3 和 2.4 节中简单介绍了 WEBENCH 中 FPGA 电源设计功能,本节将对 这个功能详细介绍,一步一步进行 FPGA 电源设计。 WEBENCH® 设计工具综述 43 3.4.1 FPGA 芯片选择 在 WEBENCH 首页选择 FPGA 和处理器电源设计,进入 FPGA 电源设计页面。 在下拉菜单中选择 FPGA 或处理器厂家,可以看到 WEBENCH 支持业界多家知名厂 家的芯片,非常方便设计。 在此节的设计举例中选择 Altera 的 Cyclone III 作为例子。如下图 选择好芯片后可以看到右上角的芯片资源汇总,并且 WEBENCH 提供芯片 datasheet 的链接。列表中是 FPGA 的各个电源种类和典型电流。点击“add load”即可将这些电 源添加入电源树。 WEBENCH® 设计工具综述 44 WEBENCH 为设计人员提供了最大的灵活性,每个 IO bank 的电压都可以根据项目 选择。如下图 : 3.4.2 供电芯片组电源树设计 将 FPGA 电源添加进电源树后即可进入电源树设计界面,如下图,电源树第一行是“树 根”下面几行是“树枝”。对树根的电压范围可以根据项目需求设置,并且 FPGA 的电源 电流还可以进行设置,用以应对逻辑资源不同工作频率不同带来的功耗变化。 如果需要用两个“树根”给 FPGA 供电,例如将电流很大的核电压 Vccint 单独供电, 可以另添加一路“树根”,点击“add source”即可。点击 add source 后可以看到“树根” 出现了新的一行,为 source 2. 在 source 2 上点击“FPGA load”即可对新添加的“树根”选择 FPGA 电源。需要 注意的是要把 source 1 中的 vccint 删除,避免出现重复。 WEBENCH® 设计工具综述 45 添加好 FPGA 电源后可以看到 Vccint 出现在“树枝”行,并且行上标注 source 2, 树枝和树根是一一对应的。如下图 FPGA 电源分配完毕后点击“submit project”即可进行电源树的优化。 3.4.3 电源树优化设计 在电 源 树 的 优化中要 完 成 芯片 组 的 对比, 选 择 合 适 的 芯片 组 给 电 源 树 供 电。 WEBENCH 会将合适的芯片组列在待选方案中,用三维图表表示出来,X 轴是效率,Y 轴是占用 PCB 面积,Z 轴是成本,用圈的面积大小表示。待选方案的树形结构也会被绘 制出来,方便工程师直观查看。如下图。 WEBENCH® 设计工具综述 46 在这个步骤中,工程师不必纠结与具体芯片,只需关注芯片组的整体效率、成本和 PCB 占用面积。这也正是 WEBENCH 自顶向下的设计方法。下表例举了两个方案的对比, 介绍方案选择的基本方法。 效率,面积 和成本对比 方案 1 方案 2 方案在待选 芯片组中的 位置 Y 轴 面积 X 轴效率 圈面积成本 电源树拓扑 对比 从表中可以看出,方案 2 效率降低了 1.5 个百分点,但是 PCB 占用面积缩减了 24%, 成本相当,这个交换很划算。所以优先选择方案 2. 确定了芯片组方案后,点击“view project details”进入芯片优化选择。如下图 WEBENCH® 设计工具综述 47 3.4.4 电源芯片优化选型 进入芯片优化选择页面后可以看到这个页面没有优化旋钮了,左面是电源树,右面是 饼图和待选芯片列表。没有优化旋钮是因为 WEBENCH 已经优化过了芯片组,选择了一 组推荐芯片。这个页面是提供给工程师更多的灵活性,对优化结果进行调整。 调整过程中电源树的每个芯片都可以被调整,WEBENCH 列出多个待选芯片。在这 个步骤中要充分利用“饼图”的功能,三个饼图分别表示功耗、成本和占用 PCB 面积。 饼图的每一块对应电源树中的一个树枝。从饼图中可以看到占比重最大的电源芯片。 例如项目对成本敏感,则可以对成本饼图中最大的一块(supply 4)对应的芯片进 行调整,可以用效率或者面积还换取成本。WEBENCH 的待选芯片中有成本低一些的 TPS40305 方案。下表中将 WEBENCH 推荐的 TPS40303 和待选芯片中的 TPS40305 对比。 Supply4 用芯片 TPS40303 Supply4 用芯片 TPS40305 变化 功耗饼图 总效率 86.2 Supply 4 功耗 增加了 78% 84.2 总效率降低 2% 成本饼图 Supply 4 成本 降低 37% 总成本 22.93 21.52 总成本降低 6% WEBENCH® 设计工具综述 48 面积饼图 Supply 4 面积 减小 49% 总面积 3249 3437 总面积增大 5.8% 从表中的对比可以看出,调整 supply 4 后总成被降低了 6% ,但是由于功耗增加 导致 supply 4 前级供电 supply 1 要增加供电能力,带来了总面积 5.8% 的增大和总效 率 2% 的降低。这么来看增加的 PCB 面积抵消了成本优势,并损失了效率。所以选择 WEBENCH 推荐的芯片。 选定电源芯片后点击“creat project”进入芯片外围电路优化。如下图 : 3.4.5 电源芯片外围电路优化 在芯片外围电路优化中,又看到了优化旋钮和仿真界面。这时就和之前的单电源设计 一样了。依次将电源树中的芯片优化和仿真,这里不再累述。 3.4.6 原理图导出 芯片外部电路确定后就可以导出原理图进行 PCB 设计了。WEBENCH 还不能将电源 树的原理图一次性全部导出,需要工程师逐个导出。 WEBENCH® 设计工具综述 49 导出后将原理图下载到本地,即可用 EDA 软件打开。如下图。 WEBENCH® 设计工具综述 50 四、图表分析和 WEBENCH 仿真——确 定开关电源最恶劣的情况 设计一个可以工作的开关电源也许不是一件难事,但是设计一个性能良好,可靠性 高的开关电源不是一件容易的事情。根据前面的分析,我们知道开关电源里的电流是周 期性变化的,电流的变化跟哪些变量有关,电流变化最恶劣的情况又是如何?本节对这个 问题进行分析,并充分利用图示和仿真的方法说明电流变化情况。也希望读者在以后的 电源学习和开发中利用图表帮助理解电源并解决问题。在初学开关电源的时候,建议读 者先把各个器件当做理想器件,暂不考虑无效的压降和损失的电流,搞清楚开关电源的 规律后再将各种实际因素加入。 将电源看做一个黑盒,它的输入是 Vin,开关频率是 f,输出是 Vout,输出电流是 。 应用当中由于电源的负反馈作用,Vout 可以保持不变(恒压源),这样分析电源的变化规 律就方便一些。Vin 和 f 的变化会引起电源内部的调节,以维持 Vout 和不变。所以理解 Vin、f 跟电源内部参数的变化规律至关重要。 4.1 先看一下 Vin 和占空比 D 的关系。 回顾一下 4.1 节前的内容,根据伏秒定理得到 Vin 和 Vout、D 的公式 : 类型 BUCK BOOST BUCK-BOOST 输出电压 Vo=Vin*D Vo=Vin/(1-D) Vo=Vin*D/(1-D) 从公式可以看出 Vin 只跟 Vout 和 D 有关,跟开关频率 f 无关。我们将这个关系绘制 出曲线更为直接,根据一般应用可以固定 Vout=5V,D 从 0.05 线性变化到 0.95,用电子 表格计算 Vin 的变化,然后将 Vin 作为 Y 轴,D 作为 X 轴绘图 : WEBENCH® 设计工具综述 51 从图中可以看出 Vin 跟 D 成反比,虽然变化的速率不同,但是变化的趋势是一致的。 图中 Vin 随 D 的变化规律也有各自的特点。 对于 BUCK 电路,当 Vin 很高的时候需要电路能提供很小的 D 以维持 Vout 的恒定, 所以对于 BUCK 电路芯片,如果允许的输入电压范围越宽,则芯片的占空比调节能力越强。 输入电压范围同时跟芯片的最高耐压有关。 对于 BOOST 电路,当 Vin 小于 Vout 较多时,需要电路提供较大的 D 才能满足升压 需要。所以输入电压范围越宽,芯片占空比调节能力越大。 对于 BUCK-BOOST 电路,在 D=0.5 时,Vin=Vout。D 大于 0.5 则工作在升压,D 小于 0.5 则工作在降压。 4.2 分析一下 ΔI 随 Vin 变化规律。 先回顾一下 4.3 小节中分析 I 的过程,其中是用 BUCK 举例分析。基本原理就是 2*I= 充电斜率 ×充电时间。细心的读者可以发现 2*I 也等于放电斜率 × 放电时间。 这是因为电感在开关电源稳定工作的时候,吸收的能量等于释放的能量。ΔI 重要的原因 是 ΔI 是叠加在直流电流上的分量,它的峰值影响到电流最大值,也就是影响到开关电 源中元件的最大电流选取。 在电感 L 两端加恒压时,电感中的电流以固定斜率增加,同理电感中的电流以固定斜 率释放时,产生恒定电压。这个原理跟电容相似,电容给予恒定电流时,电容上的电压以 固定斜率增加,电容上的电压以固定斜率放电时,电容产生恒定电流输出。电感和电容的 对偶特定在电源分析中很有帮助。(开关电源频率 f,占空时间分别为 D×1/f,(1-D)×1/f) Topology BUCK ΔI 求解表格 BOOST BUCK-BOOST Circuit 充电周期电感电 流斜率 放电周期电感电 流斜率 充电时间 D×1/f D×1/f D×1/f WEBENCH® 设计工具综述 52 放电时间 ΔI= 0.5× 充 电 斜率 × 充电时间 伏秒原理 用伏秒原理消去 ΔI 中的 D (1-D)×1/f ΔI= D×1/f Vout=Vin*D ΔI= ×1/f (1-D)×1/f ΔI= D×1/f Vout=Vin/(1-D) ΔI= ×1/f (1-D)×1/f D×1/f Vout=Vin*D/(1-D) ×1/f (注 :从 ΔI 的公式可以看出,f 在分母上,当其他变量不变化时,增大 f 可以减小 ΔI,也就是提高开关频率可 以使输出电压纹波变小) 从公式中很难直观看出 ΔI 的变化规律,所以我们在理解了公式推导后,就需要 借助图表的方法画出曲线来分析规律,直观的看出变化趋势。将 Vout=5V,开关频率 f=1MHz,Vin 作为 X 轴,ΔI 作为 Y 轴,绘图。 从图中可以看出 ΔI 的变化规律 对于 BUCK 和 BUCK-BOOST 电路,ΔI 随 Vin 的增加而增加。这说明 Vin 的增加 会使电流波动增加。 对于 BOOST 电路,ΔI 随 Vin 的增加有从小到大再到小的过程,所以在 Vin 处于中 间电压时(D=0.5)电流波动最大。 WEBENCH® 设计工具综述 53 4.3 分析 ΔI 和 D 的变化关系 在求解 ΔI 的表格中,如果利用伏秒原理将 Vin 消去,就可以得到 ΔI 和 D 的关系, 绘制曲线如下,这个曲线有用的地方在于横坐标是 D,占空比 D* 开关周期 T 就变换到时间, 就相当于 X 轴是时间。这样 Y 轴电流 I 的变化量的斜率就是电感 L 的充电和放电速率(电 流变化量 = 电流斜率 * 时间)。例如下图 BUCK 电源的 ΔI 和 D 曲线 : AB 段对应 X 轴的 D,AC 段对应(1-D),AB 段就是 L 的充电速率,AC 段就是 L 的放电速率, 可以看出 AC 段的斜 率是不变的, 也 就 是 Vout 恒 定(BUCK 放电速率 = ,Vout= 放电斜率 *L)。AB 段随着 A 点位置变化(也就是 D 变化),AB 段的斜 率从大到小变化。结合前面 Vin 和 D 的曲线图可以看到 :Vin 和 Vout 越接近,充电斜率 越小,并且 ΔI 越小。 这个曲线的另一个有用之处在于,它上面画出的折线跟用示波器测试电感电流的交流 分量 是一致的,反应的就是 ΔI 随时间的变化。一副 BUCK 电源的电感电流实测图如下, 方波是 MOSFET 的 Vds 电压,用于标明占空比 D,三角形的是电感电流波形,其中的直 流分量是后面小节会讲到。(读者可以用示波器实测一下,当改变 Vin 时,占空比 D 变化, 但是放电斜率不变。) WEBENCH® 设计工具综述 54 再看一下 BOOST 的 ΔI 和 D 关系曲线。跟 BUCK 的绘制方法类似,如下图 : 图中画出 AB 和 AC 折线,这里的折线斜率也是 L 的充电和放电斜率。由于 BOOST 的电路结构,放电斜率不恒定(公式见前面表格,Vout= 放电斜率 *L+Vin)。同理折线跟 用示波器观察 L 的交流分量一致。 最后看一下 BUCK-BOOST 的 ΔI 和 D 关系曲线,参考前面 BUCK-BOOST 电路结 构和公式表格,电感充电时跟 Vin 相连,充电斜率 ,放电时电感和负载相连,放电斜率。 所以 AB 端的斜率表示 Vin 电压,AC 端的斜率表示 Vout。 在 D=0.5 时,Vin=Vout, 两直 线 斜 率 相 等。0.5 右边 AB 斜 率 小于 AC 斜 率, 即 Vin

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