淺談如何善用線上設(shè)計工具縮短電源設(shè)計流程

　　在產(chǎn)品生命週期日趨縮短下，系統(tǒng)設(shè)計工程師必須及早在系統(tǒng)設(shè)計時，進(jìn)行電源整合的考量，以避免造成最后階段須大幅修正。為了能夠獲得更佳的系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)計工程師可藉由電源電路的線上設(shè)計工具，來縮短前段處理，甚至完整設(shè)計的時間。

　　市場的競爭壓力迫使新一代產(chǎn)品的開發(fā)時間越來越短，較晚進(jìn)入市場者，通常將喪失商機(jī)與市場占有率。

　　其中，負(fù)載點(diǎn)電源管理電路由于面對不斷改變的處理器單元、更小的外型、更高的效能，以及更快的運(yùn)作頻率等挑戰(zhàn)，因此產(chǎn)品生命週期相當(dāng)短，使得系統(tǒng)設(shè)計工程師再也不能將電源的設(shè)計與整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分開，如果沒有及早進(jìn)行電源整合的考量，那么就可能過度消耗資源，而且必須在最后階段大幅修正產(chǎn)品設(shè)計。

　　為了獲得更好的功率密度、效率以及分散式電源架構(gòu)的彈性，系統(tǒng)設(shè)計工程師必須同時考慮電源的電路設(shè)計，以便取得產(chǎn)品的最佳電氣效能、整合度與可靠度表現(xiàn)。

　　在電源電路設(shè)計上，由于新興的設(shè)計越來越復(fù)雜而且特殊化，因此對模擬工具的需求也就越來越高，在電路模擬工具推出之前，工程師必須親手進(jìn)行耗時的計算動作，同時耗費(fèi)許多時間在架構(gòu)塬型設(shè)計上，還得重復(fù)比較實(shí)驗(yàn)室測量值與計算結(jié)果來加以修正。因此，在面臨急迫的設(shè)計期限時，通常會迫使許多工程師使用先前的設(shè)計進(jìn)行漸進(jìn)式修改，而無法採用最新技術(shù)。

　　電源電路的線上設(shè)計工具可透過許多不同方法來協(xié)助電路設(shè)計工程師完成專案，部分工具的目標(biāo)是透過比較與選擇晶片與拓樸結(jié)構(gòu)，來縮短前段處理，另外一些則提供已經(jīng)設(shè)計好電路圖的模擬支援。理想上，支援設(shè)計工程師進(jìn)行設(shè)計的工具應(yīng)該要涵蓋整個設(shè)計週期。

　　完整解決方案趨于主流

　　半導(dǎo)體業(yè)者已開始採用以解決方案為主的方式，來簡化并加速低耗電系統(tǒng)的電源管理電路設(shè)計。以國際整流器公司（IR）的myPOWER線上設(shè)計中心為例（圖 1），其包含一系列功率半導(dǎo)體、被動元件與針對特定功率等級的電感器，并以最佳化電路板布局安排，提供可預(yù)測電氣與溫度效能等經(jīng)過完整測試與特性分類的參考設(shè)計。和常見的模擬電路板不同，這些參考設(shè)計都儘可能地反應(yīng)實(shí)際電路的情況，提供如電路板布局、溫度設(shè)計，以及元件搭配最佳化等復(fù)雜問題的有效解答。

　　使用設(shè)計工程師輸入的運(yùn)作參數(shù)、溫度情況與功能要求，這項設(shè)計工具能計算出電路耗損，并提供電路板布局、氣流安排與環(huán)境溫度，精確估算關(guān)鍵元件的接面溫度。這一系列的計算動作會在資料庫中合適的參考設(shè)計上重復(fù)執(zhí)行，以便找出最佳設(shè)計，并提供包括計算所得效率、接面溫度、電路板布局安排與材料清單 （BOM）成本等，如此設(shè)計工程師就可以進(jìn)行所有資料的比對，并取得符合設(shè)計目標(biāo)的最佳解決方案選擇。

　　每個參考設(shè)計都搭配全套線上模擬工具，模擬能力包含小訊號與大訊號分析、切換波形以及所有零組件的效能分析，提供給設(shè)計工程師搭配內(nèi)含製造商元件編號與預(yù)估價格完整材料清單的完整電路圖，這個電路圖具備有互動功能，并配備有可以讓工程師依需要調(diào)整設(shè)計的各種不同替代零件資料庫。

　　這項模擬功能能夠在訂購塬型功能展示電路板前驗(yàn)證零件應(yīng)力、零件值與電路連線，以便節(jié)省開發(fā)時間，所有數(shù)值都可以在幾秒鐘內(nèi)加以改變，并重新進(jìn)行評估，而非更換元件并重新焊接，因而得以節(jié)省大量時間。

　　在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)參考設(shè)計的客製化時，使用者可調(diào)整系統(tǒng)級輸入，來對一些主要的效能條件，例如電氣效率、電源耗損、接面溫度、尺寸大小與材料清單成本等進(jìn)行取捨。完成后，整個電路可以立即重新進(jìn)行模擬，為設(shè)計工程師免除更換零件的成本與時間，帶來進(jìn)行大量設(shè)計修改的自由度。在設(shè)計工程師驗(yàn)證了所選用的參考設(shè)計是否符合需求后，便可進(jìn)行效能測試，并確認(rèn)整個設(shè)計可以運(yùn)作，同時所測量的結(jié)果也能夠符合線上工具提供的計算值（圖2）。

　　以國際整流器公司的設(shè)計支援團(tuán)隊為例，即採用以解決方案為主的方式，提供符合線上使用者客製化要求的參考設(shè)計電路板，每個客製化電路板都經(jīng)過針對規(guī)格的測試，并能產(chǎn)生可以直接運(yùn)用到嵌入式應(yīng)用的設(shè)計檔案。這些經(jīng)過測試的客製化參考設(shè)計套件，將會針對線上所得的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，讓使用者可開始進(jìn)行系統(tǒng)層級的效能測試。

　　電路設(shè)計自動化

　　許多針對特定應(yīng)用所設(shè)計的晶片在採用其他被動與主動式元件時，在設(shè)計上都是依循資料規(guī)格書的大量應(yīng)用註記。雖然文件中包含的專業(yè)知識對工程師來說具有相當(dāng)參考價值，但還是得花上幾個小時，甚至數(shù)天的時間來完成所有的計算，并將計算結(jié)果與可用元件進(jìn)行匹配。這個耗時煩人的工作，可能成為採用新拓樸結(jié)構(gòu)技術(shù)的一個重要障礙，同時學(xué)習(xí)曲線也較長。因此在這類線路設(shè)計上，一項可以執(zhí)行所有必要運(yùn)算的線上設(shè)計工具，將有助于節(jié)省大幅時間。

　　舉例而言，國際整流器公司的單週期控制功率因數(shù)校正（PFC）設(shè)計工具，是以基礎(chǔ)的電路圖為開端，接著讓設(shè)計工程師指定用來計算被動元件值的輸入與輸出參數(shù)，將手動計算所須耗費(fèi)的數(shù)個小時縮短到幾秒鐘，并且能夠讓設(shè)計工程師快速分析波形，以及針對個人需求進(jìn)行設(shè)計最佳化工作。

　　自動化分析的結(jié)果包含完整的材料清單（圖3），以及描述電路效能的輸出情況列表，這項工具同時也可以產(chǎn)生顯示交流電源諧振失真、輸出漣波電壓、整體迴路響應(yīng)與誤差放大器響應(yīng)的圖形（圖4），所有資料都以PDF檔提供，以方便設(shè)計工程師整合到個人的設(shè)計筆記本中。

　　在最佳情況下，這類線上工具可提供高密度、低成本PFC控制電路相關(guān)資訊，協(xié)助設(shè)計工程師直接取代現(xiàn)有電源、更換舊式連續(xù)導(dǎo)通模式PFC電路，而不須耗費(fèi)太多寶貴時間在重復(fù)效能測試上。

　　節(jié)省時間 創(chuàng)造更大效益

　　直接引用經(jīng)過驗(yàn)證的設(shè)計，是設(shè)計工程師進(jìn)行新系統(tǒng)電源電路設(shè)計時最簡單的方法。不幸的是，舊式電源設(shè)計可能無法符合新系統(tǒng)的需求，同時也阻礙了採用較新且經(jīng)過改善的晶片與可以提升效能的切換開關(guān)。

　　當(dāng)然，工程師也可以透過架構(gòu)塬型機(jī)進(jìn)行重復(fù)測試程序等舊方法來產(chǎn)生新設(shè)計，但這對專長于數(shù)位領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計工程師來說，卻不是簡單的工作，而且工程師們也沒有額外的時間。

　　模擬是讓設(shè)計工程師不須真正架構(gòu)塬型機(jī)，而能夠找出并修正問題的良好方式，同時可以加速設(shè)計流程。不過，良好的模擬程式卻相當(dāng)昂貴，而且須準(zhǔn)備良好的電路模型，對不熟悉軟體或電路的工程師而言也相當(dāng)耗時。然而，塬型機(jī)的製作還是有其存在的必要，因?yàn)榇蟛糠帜M結(jié)果的精確度，還不足以與良好的設(shè)計匹敵。

　　設(shè)計工具與網(wǎng)際網(wǎng)路的結(jié)合，加速了電路設(shè)計與塬型機(jī)製作，近年由于電子設(shè)計在復(fù)雜度與成本上都越來越高，因此對模擬工具的需求也日益迫切，今日的設(shè)計工程師必須儘可能使用最新技術(shù)，來設(shè)計出尺寸更小且更有效率的電源轉(zhuǎn)換裝置。線上模擬與供貨系統(tǒng)工具軟體不僅有助于節(jié)省時間，同時也能確保具備有可運(yùn)行塬型機(jī)與相關(guān)支援測試資料的穩(wěn)固設(shè)計，透過高速模擬、成熟的設(shè)計平臺以及完全組裝且經(jīng)過測試的參考設(shè)計電路板，設(shè)計工程師將可在整個開發(fā)流程的早期，取得有效的端對端設(shè)計解決方案。