善用開發工具　開關式電源設計事半功倍

不過，上述的問題其實有解決之道。現在晶片(IC)製造商都可以提供先進的電源供應設計工具，例如已問世之設計工具(圖1)可以為電源供應設計提供比傳統測試和錯誤驗證以外更有效的方法。此工具可以協助使用者在建立模組前進行虛擬測試和最佳化，以減少或免除既花成本又浪費時間的重複設計工作。如此一來，整體的設計品質不但可以提升，也可以提供更強大的功能，確保電源能滿足設計人員的需求。

圖1　電源供應設計工具可提高系統設計工程師的工作效率

設計工具對於經驗豐富的電源供應設計人員也很有幫助。良好的設計工具能夠提供包含成千上萬個元件的資料庫，工程人員可以透過相關的元件參數，零件價格與設計尺寸建立折衷的虛擬模型，而毋須事前花時間研究。  

良好的電源供應設計環境應該儘量簡單易用，並能提供完整的線上設計，其設計流程包括：使用者輸入設計參數並從建議清單中選取適當的拓撲及穩壓器，再透過軟體計算出被動元件和電源的特性，並使用圖像化介面來了解此設計對於效率高低及設計面積大小的折衷情形，以便將設計最佳化。如此一來，設計人員可進行即時電子模擬以檢視電路的動態特性並進一步修正設計，並允許使用者進行熱模擬以找出及修正過熱的問題。而簡單方便的網上訂購，包括樣本、測試電路板以及客製化原型套件，由訂購至送達只需極短時間就可以完成。  

電源供應設計規格不可不知  

在使用設計工具前，設計人員必須預先決定一些基本的電源規格，包括輸入電壓範圍、輸出電壓、負載電流及周遭環境溫度等。至於其他須要輸入的資料，則包括輸出電壓的漣波、所要求的暫態響應等性能係數。除此之外，使用者也必須同時考量設計的尺寸以及最具效益的預算編列。設計工具會根據這些規格快速回應給設計者，並將其視為初始程序的一部分。使用者接著就可以看到由軟體提供的建議元件及拓撲清單，而設計人員所需作出的第一個決定是選擇採用哪一個拓撲。  

以降壓應用為例，因為需要的元件數量較少，通常都會選用降壓解決方案以達到最大的成本效益，但假如電源須要隔離，或輸出電壓與輸入電壓很接近的話，就可能須要選用返馳式拓撲。  

而另一個關鍵性參數是穩壓器的開關頻率，假如使用者需要較高的效率，那麼最好讓穩壓器在較低的頻率下操作(低於100kHz)。換言之，假如所需要的尺寸較小，就應該採用較高開關頻率的穩壓器(高於1MHz)。毫無疑問，能夠讓使用者依照需求而能自由選擇頻率的穩壓器能帶來最佳化效果，但也須要顧及其他重要的功能規格，包括軟啟動、可變電流限制和開/關功能等。  

下一個步驟是由軟體計算出所需的元件數值。軟體首先計算出電路中每個節點的電壓和電流並預留一些空間以維護安全，並根據這些資料來決定元件的最低需求值。然後再按照所需求的效能去決定其他的元件參數。舉例而言，電感值應該根據漣波電流的目標而決定，因為它會影響峰值電流和輸出電壓漣波的大小，至於輸入電容和輸出電容的大小則分別依據所要求的輸入電壓偏差和輸出暫態回應來決定。如此一來，根據軟體中的元件選擇演算法，適合設計使用的元件就會自動被篩選出來。  

建立模型和降低功耗是達成高效率設計的重要一環。以圖2中的非同步整合式場效電晶體(FET)降壓轉換器電路為例，最大的功率消耗是來自主要電流路徑上的內建FET、保險二極管(Catch Diode)和輸出電感器。至於在這些元件當中，最大的功率損耗是來自FET或二極管，或者來自兩者，則取決於工作週期的長短。

圖2　典型降壓開關穩壓器的電流路徑

如果工作週期較長，FET中的損耗就比較顯著；相對地，如果工作週期較短，那麼損耗便主要來自二極管。FET的功率損耗包含直流損耗和交流損耗，直流損耗的大小取決於FET的RdsOn特性，而交流損耗則屬於FET的一個電容函數，它會影響開關的上升和下降時間。至於二極管的功率損耗則取決於順向電壓降及二極管的電容率，而電感器的損耗則與其直流電阻以及核心材質及尺寸有關。  

交流損耗/頻率互為因果  

而交流損耗與頻率的關係也是在設計時必須考量的。開關中的交流損耗方程式如下：  

PswAC=×Vds×Ids×(trise+ tfall)/tsw

如圖3所示，當開關開啟和關閉時以及當開關的電流和電壓同時不等於零時，交流開關損耗就會發生，而期間這些損耗會相對固定。可是，對於允許使用者選擇頻率的穩壓器而言，可以控制其開關時間週期。採用低開關頻率(即較長的開關週期)，上升和下降時間只占據整個開關週期較小的百分比，因此效率得以提高。但是根據基本電感計算方程式，更長的開關導通時間(dt)則須要增加電感以維持穩定的漣波電流(dI)。基本電感計算方程式為：L=V×dt/dI 一般來說，電感值增加導致電感器的圈數更多，使得設計的尺寸較大。相反地，提升開關頻率可縮小電感器的尺寸。較高的頻率可減少開關的導通時間，以便降低維持同一漣波電流所需的電感值。如此一來，便可減少電感器所需的圈數，進而縮小電感器的尺寸。可是，高頻率的設計很容易導致開關出現較高的交流損耗，而較大的功率損耗無疑與先前的目標背道而馳。

圖3　交流開關功率損耗的符號表示

效率/尺寸平衡有望  

良好的電源設計工具能夠為設計人員提供簡易的降壓控制器設計最佳化途徑，以提高效率或是小尺寸，或是從兩者之間取得最佳的平衡。圖4中的軟體控制旋鈕可以讓使用者選擇所需要的最佳化效果。假如使用者選擇較高的最佳化設定以提升效率，頻率就會相對應地下降，使得交流開關損耗減少，但如同前述，這樣的設計會導致較大的設計尺寸；相對地，如果選用較低的最佳化設定，就可以縮小設計的尺寸，因為較高的頻率只需要較小的電感器搭配，這將有助於縮小整體設計的尺寸，但效率則難免下降。除此之外，還有一些需要在最佳化過程中考慮的因素，包括寄生電阻(ESR、DCR)、元件的成本和適用性等。正如圖4中所見，選用中間的設定可在效率與尺寸間取得最佳的平衡，例如比較圖中的第四個和第五個最佳化設定，前者的效率和尺寸分別為91%和350平方毫米，而後者的效率雖提升至93%，但尺寸卻增加了超過100平方毫米。

圖4　透過效率與尺寸間選擇折衷的最佳化電源設計

完成電源供應性能最佳化之後，就須要立刻考慮價格的問題。市面上不少的元件擁有類似的參數，它們都可以滿足設計的規格要求。不過，如果設計人員願意犧牲一點效率，那麼就可以選用價格比較低廉的元件，並獲得幾乎一樣的效果。圖5所示為同步降壓設計中採用不同價格的FET所得出來的設計效率。結果顯示如果使用者願意犧牲4%的效率，那麼就可以節省10%的FET成本。

圖5　同步控制器中不同價格的FET與效率間的關係

模擬測試把守最後關卡

如果完成穩定性配置的設計後，為什麼還須要進行電子模擬?主要的原因在於設計人員可能須要觀察動態的電路特性，例如暫態回應，因為這方面的資料並不能從靜態的操作數值中判別。此外，設計人員可能希望進一步改善設計的輸出漣波電壓、迴路穩定性和/或暫態回應等。良好的設計工具可以讓使用者執行一系列不同階段的模擬，包括啟動、輸入線路暫態、輸出負載暫態及穩態等。  

此外，用於確定系統穩定性的波德圖(Bode Plot)也是必備的，當中的波形檢視器可以協助使用者將波形放大或是任意改變波形以便仔細觀察及分析模擬的結果。  

舉例而言，負載暫態模擬可以讓設計人員輕鬆地比較兩個不同的穩壓器，其中一個採用脈衝寬度調變(PWM)式的電壓控制模式，而另一個則採用磁滯式控制模式。圖6中的模擬結果顯示磁滯式穩壓器電路具備較迅速的暫態恢復時間，但所產生的輸出漣波則相對較多。如此，用戶便可按照所需的要求迅速選擇適用的穩壓器。

圖6　電壓模式PWM(左方)與磁滯(右方)電壓穩壓器電路的負載暫

熱模擬解決過熱議題

熱模擬(Thermal Simulation)是找出並解決電源供應電路過熱問題的最佳工具。電路板層級的熱模擬能夠考慮相鄰元件之間的共同運作過熱情況，這是傳統thetaJA計算方法無法達成的。因此，假如穩壓器電路中有兩個須要耗用很多功率的元件放得太接近，那麼它們的溫度可能會因協同效應而上升得比預期中更高。要迅速獲得精確的模擬結果，須要為每一個元件選用合適的模型種類。對於消耗小量功率的元件而言，可以根據這類型元件的數量採用集中式骰子模型(Lumped Cuboid Model)以加快模擬的過程，但對於消耗比較多功率的元件來說，則須選用較為精密的模型，必須考慮元件的尺寸和材料。此外電路板本身的銅線也會影響溫度，因此也須要進行模擬。  

當遇到過熱問題的時候，其實有很多不同的解決方法。這些方法包括加大元件間的距離、增加電路板銅線的厚度或增加塗覆在元件上的銅含量，而比較昂貴的解決方案則包括加入散熱風扇及/或一個突出的散熱器。  

熱模擬工具可以讓使用者嘗試不同的解決方案並迅速地獲得模擬的結論。圖7是一個包含整合式開關穩壓器的5安培電源供應，最初出現過熱的情況，但經過熱模擬後，可以發現加入風扇或散熱器並且加大電路板的面積可以使溫度降到可接受的程度。

圖7　5安培整合式開關電源的熱模擬結果

建立設計原型/資料文件化有效延伸設計效益

當利用設計工具完成電源供應設計的最佳化後，還須要為設計建立原型，這是因為即使模型經過模擬及嚴格的驗證仍然可能不夠準確，或許有些被忽略的因素。對設計人員來說，能夠輕鬆及快速地從網上訂購樣本、測試電路板以及客製化原型套件，並可於短時間內送達極為重要。設計人員可以迅速地建立設計原型並進行評估，以確定設計能符合要求。設計人員還可以從工具下載線路圖、規畫圖及Gerber檔以簡化將電源供應設計融入整體電路設計的工作。  

最後，設計的自動文件化功能，還能夠把相關的線路圖、物料清單、運算數值圖和模擬結果一起存檔以供日後參考和重複使用。就可以大大減輕設計人員的工作量和壓力，加快產品推出的時間。  

整體來說，良好的設計工具可以讓設計人員使用真實的元件，在效率、尺寸和價格間找出折衷的方法，從而進行電源供應設計最佳化。所得出的電源供應設計將可以更符合客戶需求的專用電路，其效果比起只採用資料表提供的既定參考設計精確得多。除此之外，完整的設計及原型製作也可於短時間完成，這不只減少了設計所需的時間，而且還可加速產品上市時間。  

(本文作者為美國國家半導體WEBENCH設計工具資深經理)