使用在线工具进行电源设计

文章:Vishwanath Tigadi,Raghavendra Chavan和Bhushan Waghmare

在线设计自动化工具允许工程师快速开发和测试电源应用程序。

电源应用设计是任何电子系统开发的独特部分。一个单独的专家团队在系统中的电源管理部队,从简单的设备,如手机和音乐耳机到先进的卫星设备。这是因为电源管理本身是一种复杂的简单电子设备的纠缠。

电力管理的第一阶段从市场调查开始,并提出了功率转换器必须满足的正确规格。例如,汽车级功率转换器预计将在150°C级的较高温度下工作,并且空间应用必须在-40°C低于-40°C的温度范围内工作。USB应用程序应为2.5 V至6.5 V DC输入工作,而充电适配器应在85 V至265 V RMS AC输入下工作。

一旦设定了这些规格,设计团队就会提出了可以设计电源转换器的设计规范。什么可以在IC内部融入。可以支持哪些外部可编程性等。在获得IC之后,它是时候设计了一个能够迎合数字电视,电池充电器和工业和汽车音频电源等特定应用的电路板了。为特定应用程序设计这些板是可以归纳为应用程序设计的。

电源应用设计一般有以下步骤。

  1. 重新设计IC设计团队为特定应用程序开发的原理图,其中包含数据表中描述的详细信息。
  2. 推导和参考数据表和应用笔记公式来计算外部元件的值,如电感,电容和电阻。
  3. 使用其他参数,如寄生电阻、额定电流和额定电压,对这些外部组件设置适当的安全裕度。
  4. 基于点B中概述的计算和在Point C中决定的边缘中选择更近的外部元件(BOM)的值。
  5. 参照原理图在PCB上进行所选BOM的放置。
  6. 测试和调整以验证是否满足规格要求。

需要在线工具

世界各地有许多公司设计、开发、制造和销售超过几十万种消费电子设备。电源管理是所有这些设备的核心。为了迎合这些设计,不可能为每种规格制万博投注网址作10到20块样板。

假设您有一个在线设计工具,该工具包含一家公司生产的每个电源IC的信息,以及每个IC的适当示意图。它包含所有外部组件的信息——包括电阻、电感、电容、mosfet、二极管等等——以及组件分配器提供的信息。电力系统工程师提供输入输出要求,并通过适当的BOM、制造商和分销商信息获得完整的设计来支持他们的需求。他们可以通过在线设计工具修改和模拟电路,并通过点击一个按钮分析电路的性能。

使用在线工具进行电源设计

以汽车音响电源为例,其输出功率要求为10w,可用输入电压约为12v DC。对于这个特定的应用,我们应该选择一个可以由汽车电池供电的DC-DC转换器。在选择电源转换器时,应用程序设计人员必须考虑许多其他关键性能参数。这包括更高的效率,更低的足迹,低成本,和稳定的输出性能给定的输入规格。

有特定的在线设计工具,帮助工程师根据最佳性能参数选择转换器,并且还通过提供可以在需要修改的初始参考设计来帮助他们设计特定应用程序。包括Webench Power Designer.到TI,网页设计师+通过半导体,和ee-sim通过Maxim集成。输入规范可以直接馈送到这些工具以生成解决方案列表。工程师可以选择在性能参数方面最佳的设计。

例如,对于汽车音频电源,让我们假设要求是VIN = 8-12 V,VOUT = 5 V,IOUT = 2 A,效率要求高于90%。从其中一个自动化工具产生的解决方案如下所示。

图1WEBENCH Power Designer支持各种电源系统和子系统的应用,从电池管理到LED照明和处理器到FPGA电源。来源:德州仪器

可以选择更接近所需规范的任何功率转换器以进行进一步评估。参考设计示意图显示了BOM选项中已有的外部组件。在电气模拟的帮助下可以进一步仔细审查设计,并在工具中显示的可用图表。我们考虑的一个示例如下所示。

图2电力系统设计者可以运行模拟,打印设计报告,并开始新的设计。来源:德州仪器

在这些评估之后,工程师可以选择设计并创建PCB。其中一些工具还支持在Gerber文件中的给定应用程序的参考PCB设计 - 提供制造PCB所需的所有信息万博投注网址。这些设计可以万博投注网址通过不同的PCB设计工具导出和修改。它还将帮助工程师进行原型应用设计。

图3工程师可以在进行必要的评估后创建一个PCB。来源:Sankalp Semiconductor

在线设计工具上的解剖学

建立在线设计工具需要大量的背景工作。正确地指定了所有部件的数据库,包括具有参数的主动和被动部件。然后有外部元件选择的数学方程,运行值,如效率和相位裕度。这些等式通常是用Python、Java和Angular2等支持HTML的平台编写的。

好处

  • 消除对建筑的需要首先切割PCB。
  • 修改可以在点击按钮时完成,没有PCB问题的麻烦。
  • 所有信息 - 包括性能图,仿真结果和PCB布局 - 可在一个地方提供。
  • 在最终客户满意设计之前,不需要联系制造团队。
  • 几种设计选项同时可用。
  • 节省大量时间,减少上市时间。
  • 不需要复杂的实验室工作。
  • 大量的外部组件可以通过点击来获得。
  • 具有最小知识的人可以提出使用这些自动化的首次切割设计。万博投注网址
  • 为标准输入/输出条件完成彻底的测试。

缺点

  • 由于建模的局限性,如建模寄生和老化效应,自动化结果和性能可能与实际板略有偏差。
  • 由于运行自动化操作的限制(例如大型服务器和转储数据的磁盘空间),不可能验证所有可能的输入设计组合。这可能会把糟糕的设计描绘成优秀的设计。万博投注网址
  • 无法直接比较不同制造商的设计。万博投注网址
  • 如果自动化不友好,没有设计背景的人可能无法充分利用它的潜力。
  • 在目前的场景结果中,由于上面提到的建模限制,从自动化生成的原理图和BOM不能直接提供给大规模生产。它必须经过彻底的测试;否则,如果在生产的后期遇到bug,可能会导致灾难性的结果。

当涉及到电源应用设计领域的自动化时,实现过程可能因制造公司的不同而不同。然而,本文中讨论的总体方法仍然是相关的。

Vishwanath D Tigadi,Raghavendra Chavan和Bhushan Waghmare是Sankalp Semiconductor,HCL Technologies公司的设计工程师。

本文最初发表于行星模拟

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