電源仿真軟件的介紹

電源仿真軟件的介紹

1案例背景

?項目名稱XXXXX

?硬件平臺XXXXX

?軟件平臺XXXXX

在協(xié)助查找和解決一些開關電源方面的問題時發(fā)現(xiàn)，許多問題其實都可以通過仿真

軟件復現(xiàn)并找到問題所在；一些設計上的不當如果借助相應的仿真軟件也能夠避免，尤

其是瞬態(tài)響應這種在實際測量中很難發(fā)現(xiàn)的指標。因此，從該角度來說，仿真軟件對芯

片級的開關電源設計來說是至關重要的。

基于此背景，決定對電源仿真軟件做一個介紹，由于使用的開關電源芯片大多是口

和linear公司的，故該案例僅對這兩個公司的5款仿真軟件作介紹，這5款軟件分別為：

Linear公司：I.TpowprCAD,LTspiCP；

T1公司：SwitherPro,SWIFTDesigner,TINAo

2基礎鋪墊

2.1用仿真軟件仿什么？

在前面說到，電源仿真軟件對芯片級的電源設計來說至關重要，為什么這么說呢？

首先來看下在芯片級的開關電源設計中可設計（或者說可能導致問題）的指標和組件有

些什么：

?Enable,緩啟動等控制信號一一按照芯片手冊的定義設置即可；

?開關頻率一一通過使用的電感、輸出電容以及預期的電感紋波電流和輸出紋波電

壓設計；

?電感一一可通過輸入輸出電壓、開關頻率以及預期的紋波電流等計算設計；

?輸入輸出電容一一可通過輸入輸出電壓、開關頻率、紋波電流以及預期的紋波電

壓等計算設計；

?環(huán)路設計指標：剪切頻率、相位裕量、增益裕量一一下面將一一給出這兀個指標

的定義、意義和經(jīng)驗值：

＞剪切頻率：

■定義：有的文檔上叫穿越頻率，是指環(huán)路增益為OdB時對應的頻率；

2

■意義：剪切頻率越高，響應速度越快，但更容易引起環(huán)路不穩(wěn)定或振蕩;

剪切頻率過低則環(huán)路瞬態(tài)響應不夠，可能導致輸出電壓異常；

■經(jīng)驗值：通常剪切頻率設計為開關頻率的1/10~"20；瞬態(tài)響應不足的系

統(tǒng)往往其剪切頻率低于lOKHz,此時環(huán)路處于過度補償?shù)臓顟B(tài)；

＞瞬態(tài)響應：主要表征因負載變化而引起的輸出電壓變化，瞬態(tài)響應越差，則

相同負載變化引起的輸出電壓變化越大；

＞相位/增益裕量：

■定義：相位峪量——當環(huán)路增益為0時，對應的信號相位與360。的差值，

如下波特圖所示的系統(tǒng)，其相位裕量為80.23。；

增益峪量一一當信號相位為。時，對應的負增益量，如下波特圖所

示的系統(tǒng)，其增益裕量大約為-：6dB；

=

Actualvoltageloopbandwidth,[fc_actuJ13.40kHz

=

Actualvoltageloopphasemargin.[0macluai]80.23deg

VoltageLoopGam

75180

S

(46

m

p

)O4

a5

p

n

±0

u45

6—

ec

wC5135

O90

45405

a偵1

10—

Frequency(kHz)

MagnitudePhasefc...........fsw/2

■意義：表征開關電源的穩(wěn)定度，如相位裕量或(和)增益裕量不夠，則可

能因溫度、PCB布局布線以及器件個體差異等影響，使系統(tǒng)進入不穩(wěn)定或

振蕩的狀態(tài)；

■經(jīng)驗值：足夠穩(wěn)定的開關電源設計，一?般應使相位裕量出5。，增益裕量

＜-10dBo

以上環(huán)路設計指標也可以計算，但因為計算要涉及到一些芯片內(nèi)部的組件及其參

數(shù)，手冊上不一定全部清楚給出，而且就算給出了所有參數(shù)，這些指標的計算也較復雜

3

和易錯，所以這些指標要想通過計算實現(xiàn)設計基本上很難，而仿真軟件的價值正在于此

-可以輕松的看出設計得出的環(huán)路指標。

此外，通過仿真軟件也可以輕易得出恰當?shù)碾姼屑捌浼y波電流、輸入輸出電容、開

關頻率以及功耗等，比起計算來，這樣的方式無疑便捷很多。所以，借助仿真軟件，可

以讓開關電源的設計工作變得事半功倍。

2.2仿真結果完全正確？

上面的描述很容易造成對仿真軟件的“神化”誤解，事實上它不是神，在超出它能

力范圍的地方是無能為力的。

因此，仿真結果是完全正確的嗎？答案顯然是否定的。

之所以仿真結果不能夠完全正確，是因為器件個體差異，環(huán)境溫度，以及PCB設計

這些因素都可能對開關電源的環(huán)路產(chǎn)生影響，而使實際情況與仿真情況偏離。而從上面

的描述可知，其實相位裕量和增益裕量之所以要求足夠，正是由于要設計一個具有足夠

“容錯”能力的系統(tǒng)，使該系統(tǒng)在這些實際偏差因素的影響下，仍然保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

事實上，上述幾個可能影響仿真結果的因素中，PCB設計是如此重要，以至于它可

能讓你的開關電源設計無藥可救一一如果PCB設計得太不恰當，那別說仿真軟件，就算

是神，也救不了你的電源了；同時該因素也是上述幾個因素中唯一可在設計中做工作的

部分，因此有的仿真軟件也有推薦的PCB設計。

下面，就一個個來看看仿真軟件們的能力吧。

（順便說一句，其實上面我說錯了，PCB設計太糟糕還是有個神可以救你的電源的，

那就是“版神”一一改版唄，還能怎樣？）

3各仿真軟件的介紹

3.1軟件的安裝

由于本文中介紹的幾款電源仿真軟件，其安裝過程都比較簡單，故這里就不一一贅

述，下面僅對安裝稍微復雜點的LTpuwerCAD安裝作個介紹，其他軟件的安裝基本按照

提示即可完成。

LTpowerCAD的安裝比較簡單，僅需要注意一下的是其軟件環(huán)境要求，如下圖所示：

/PersonalComputerwithMicrosoftWindowsXPSP2orlaterOS

/MicrosoftOfficeExcel2000,2003,2007or2010

/Microsoft.NETFramework3.5orHigher

4

圖1LTpowerCAD的環(huán)境要求

實際的安裝按照軟件提示安裝即可，如下圖所示。

圖2LTpowerCAD的安裝

3.2LTpowerCAD------linear

3.2.1VER1.0版本

LTpowerCAD是linear公司的一款電源仿真軟件，可以直接查看其相位裕量、剪切頻

率、功耗、瞬態(tài)響應（部分器件）、參考的PCBlayout等，配合下面介紹的LTspice工

具，在使用凌特芯片中的沒計或查找問題時有很大的用處。

LTpowerCAD的頁面包含下圖所示的3個大的部分，即主菜單頁面、設計數(shù)據(jù)表和與

LTSpice接口，下面將對?每個部分做具體的介紹。

DesignSpreadsheet

w-

DesignPower

Stage

Components

DesignControl

Compensation

Loop

Transient

Response臼~J

Estimation

LayoutExample

圖3LTpowerCAD的使用

?開始頁面

5

開始頁面如下圖所示，共5個選項，含義都比較明確，就不再贅述，一般用得上的

就是前面兩個選項。

aNewDesign

/TLiTEnCHNtOALOGtY

圖4開始頁面1

點擊開始新設計將會自動彈出一個對話框，其界面如下圖所示:

6

圖5開始頁面2

左上角的SupplySpecifications用于輸入實際的應用參數(shù)---輸入輸出電壓、電

流、幾個通道、幾相等，注意此處的參數(shù)必須全部設置。

右上角的Features用亍?指定一些具有特殊功能的芯片，如同步、burst模式、多相/

負載均分等；設置完這些之后點擊“search”即可得到滿足要求的器件，然后點擊start

design即會彈出一個對話框，用于選擇設計文件的保存位置，如下圖所示：

7

Design.叵X

$uprt?Spec6calcmFeatutet

Mn

MaciWVcMge

Nc<nInpulVoAa9(

Nunoi0如峋

Al

TcpotocyAl

SdeciLTCPart?

yoMc*?rchbyPMMwnb*KNPM。

Do物TodVoMo(V|

Si^itDes^n|

SiaitDesign08

2pwt(s)】ncurrtftt4attbase

Currently,iLtLTpwerCADToolonlysupportsUnitedNonolithicandxiodulepwts.Click*LTCTebSeerchrfor?oreparts

圖6選擇設計數(shù)據(jù)表保存位置

輸入名稱，選擇好保存位置，即可進入設計數(shù)據(jù)表。

?設計數(shù)據(jù)表

設計數(shù)據(jù)表主要包含“功率級設計”和“小信號模型和補償調(diào)整”兩個部分，需要

注意的是要先啟用Excel工具的宏功能，Exccl2003和Exccl2007的設置分別如下圖：

MicrosoftExcel2007MicrosoftExcel2003

SecurityWarning；

?'?/????????????????????????????

-

EnableMacros廣?、丁?，

-............b上―if%曠

■Click“Option…"Button■Click"EnableMacrosButton

■Select“Enablethiscontenf

圖7啟用。xccl的宏功能

1）功率級設計

8

功率級設計的其中一部分用于修改輸入輸出參數(shù)，與主菜單部分重復，這里就不再

過多描述，如下圖所示，右上角對可修改（藍色）和計算得出的值（黃色）作了顏色定

義以便區(qū)分:

PortI-PowersageDes/gm|ValueenteredbyuserCelculatedvalueRedfont//aming

ModuleFoaturos

Maximuminput36VMaxl^onowtput*cl:99?34V

Minimuminput45VMlfllmonOvtOut08V

Mexi-rurnwilbi”frequency200kHzIMTVCC6V

L1ri,ru*rszhirg400kHzAlaas?gfeTo03：3：r??:for90czr*rofzoo-tc3a/pn:二卜eet

PowerSog?DesignSp?c(ftcabo?i?

Mtxi*ru*ninput32VNominalinput\0lt>Q4.[Vjb：'18V

MininnminfwifvnltaQ*(V、-，：.CVvnltBQa42V

SwitSicgpgccy/：?300kHZTctlloutput8mSA

?cfE8ul。。irn:cdca.-irgi;3；5u*r?oj1C-tOut2u^Q-：Ot?3CTE8J10N6A

Fr?qu?ncyS?l?cbonMod。Van?ibo?iInputThrotboldVolUgoEsnmaCion

PleaseselectedclockmodeProgrammedBocst!CVco*T^rsit.C^Ti士力el。1130V

Sggeieofreauercyxlectimvckage.125V1267V

Uwpl?a?e。*actwdlwUct?ongl1.20V

Asuals-itncinfls>29333kHzConverteroperatesinBuokBoostmodev/t)?nVmth1?Vin<Vmth2.

圖8功率級設計1

功率級設計的另一部分比較重要，如下圖所示，主要是一些具體的設計參數(shù)的修改,

以及其對芯片性能的影響。

如下圖9所示，該部分主要是用于根據(jù)實際的應用情況修改各組件，并查看其影響.

例如，假設在所應用的環(huán)境下芯片推薦的電感值公司沒有，那么當我們用了另一個電感

值是就應該用軟件看一下紋波電流是否適合，流過電感的峰值電流是否超過其額定值，

芯片功耗是否能夠接受等，如下圖10所示。

當然還應看環(huán)路指標是否還恰當，可在“補償調(diào)整”部分的數(shù)據(jù)框查看，這點在后

面介紹。

另外該部分包含兩個豆要的功能，如下圖9的右上角所示，分別為“Exportto

LTSpice"和"ViewLayoutExample”,含義是比較好理解的,就是指導出LTSpice可

仿真的文件，和查看參考的PCB設計。

Clickoncapacitororinductorsymbolsiolinktothelibrary.ExporttoLTspiceViewExample

Inductor,L(?achmodul?)

TotalInputFilterHetv/orkrCheckifLtHfUMTotalOutputFilterNetworkrCbKkiflOUTif

MFR

Fart?

IHOL30-OQ=

XR-

1XLTM4609

inputCurrent5.23AQVln_frinOutputCurant

3405MV"

VOUT

IjQnce一VOUT

Tlcc4.99V@5A

CFF(ejchmodule)i

uCb

COMPWB耳

TcUl*r>xRMSCurrent2S24ARr?f(?hared)To：?lRMSCu^vnt0911A

lnpu<Cap.Cif?bInputC?p,GnCe19048kCOutputCap.CceOutputCap.Cb

MFRMFR19.100kCMFRMFR

RSBdSE

Part*1.00?*Part*Part#

150戶Aa^ticA-C10萬C150產(chǎn)

72二ESRmodule)ESR5-nQESQ35?rC

33rMESLUfiMLoXCCMESL15ESL3nM

?OfCiro?c<CoeSJS/4z1802-ofC??38

RMS8FE1144AAMSdm，1824A“5Actualn-C.MSBFM0309---0349A.—6

0Cvoltageandtemperaturedegradationofcapacitorsarenoi?cfRjars?DCvoltageandtemperaturecegradationofcapacitorsarenot

considered,pleaseentertheactualcapacitance.29333kHxAvse-eieQVbc.rrir?016mVconsidered,pleaseentertheactualcapacitance.

0Vin_*n?x-mV

M>XlOSI?f-mW

9

圖9功率級設計2

195.,.245295345395

小ZV)

PowerLossandEfficiencyEstimb?n

Inputvcl：9Qe15VC3jcten-?.[T^]?50?C

Pie”“IMVccMod<IUTVCCHA65V

w—AY中L

Buck

svr.tftl

ModulepowerLo?513"V/InductorCopperLoaa0.180w

-w.tni

.jsRfiontoLoss0.127V/211108-cy.丁產(chǎn)91.70%

w

圖10功率級設計3

2）小信號模型和補償調(diào)整

顧名思義，該部分包含的內(nèi)容有瞬態(tài)響應的預估和環(huán)路補償?shù)恼{(diào)整等，如下身所示,

圖11為瞬態(tài)響應的預估，圖12為環(huán)路補償?shù)恼{(diào)整。

LoadTransientApproximation(SecondOrderApproximation;dutycycleanderroramplifiersaturationarenottakenintoconsideration;validonlywitha

stablesystem)

LoadStep.(Istep]=7AAbso山3LoadStopslowraio,[dl/dt]=10A/usec

2O

O

O

￡-<2O

uO

o

>O

-6O

-8O

10O

12

14

-20020406080100120140

Time(usee)

limebcaie.

圖11小信號模型

如圖11所示，通過設置負載的變化程度以及負載的變化率即可看出目前所設計電路

的瞬態(tài)響應性能；根據(jù)上面對瞬態(tài)響應的介紹，在設定相同的負載變化條件后，右圖中

的電壓偏移值越小，則瞬態(tài)響應性能越好。

需要注意的是，不是每個器件都有“瞬態(tài)響應預估”這個數(shù)據(jù)表（例如LTV4609就

沒有）。

10

PARTthSmallSignalLoopCompensationDesign(FCBtiedtoground):Reset

AcUloutputVMM，byR1R2499VOpbon?lVolSq*Divider，ndComp?n^^KxtlehvorfcTuning(RCn?NvdatCompPin)

OpbonalDtvi(S?rUMworkOptionalCompandorIUtv/orkC”for?achmodulo??|0of

CRIOT?$chmodule?0OF

ShsrodCth.0OF

.VOUTrJ-COMPSharedRth.oioog

*CFFlcachmoduK)

Rth(shared)聿，Cthpleachmodul?>Cthpforeschmodule.0cP

VF8-Vin-U匕26807

Rreffsh^red)毛±2CPleachmodule)Cthlshared)OtecUnCvrvetitLaaJ

19IkQL^J

V%H500A

AcxutlloopBtndAWtn33.44kHz

VouttoVTb

01，8

Frequ?ncy1<Mz)

------M>)4HUM------Pt1

圖12補償調(diào)整

如上圖12所示，通過調(diào)整右上角各阻容值，即可看到不同的補償設計對環(huán)路各性能

的影響，列出的指標只有剪切頻率（表中叫做環(huán)路帶寬）和相位裕量，而沒有增益裕量,

但囚其右下角有一個波特圖，根據(jù)增益裕量的定義我們也可輕易從圖中得出該指標，如

上圖中該指標大約為-12dB左右。

?其他

數(shù)據(jù)表下端的菜單還會有其他的一些