电源仿真软件的介绍

电源仿真软件的介绍

电源仿真软件的介绍

1案例背景

•项目名称XXXXX

•硬件平台XXXXX

•软件平台XXXXX

在协助查找和解决一些开关电源方面的问题时发现，许多问题其实都可以通过仿真

软件复现并找到问题所在；一些设计上的不当如果借助相应的仿真软件也能够避免，尤

其是瞬态响应这种在实际测量中很难发现的指标。因此，从该角度来说，仿真软件对芯

片级的开关电源设计来说是至关重要的。

基于此背景，决定对电源仿真软件做一个介绍，由于使用的开关电源芯片大多是口

和linear公司的，故该案例仅对这两个公司的5款仿真软件作介绍，这5款软件分别为：

Linear公司：I.TpowprCAD,LTspiCP；

T1公司：SwitherPro,SWIFTDesigner,TINAo

2基础铺垫

2.1用仿真软件仿什么？

在前面说到，电源仿真软件对芯片级的电源设计来说至关重要，为什么这么说呢？

首先来看下在芯片级的开关电源设计中可设计（或者说可能导致问题）的指标和组件有

些什么：

•Enable,缓启动等控制信号一一按照芯片手册的定义设置即可；

・开关频率一一通过使用的电感、输出电容以及预期的电感纹波电流和输出纹波电

压设计；

・电感一一可通过输入输出电压、开关频率以及预期的纹波电流等计算设计；

・输入输出电容一一可通过输入输出电压、开关频率、纹波电流以及预期的纹波电

压等计算设计；

•环路设计指标：剪切频率、相位裕量、增益裕量一一下面将一一给出这兀个指标

的定义、意义和经验值：

＞剪切频率：

■定义：有的文档上叫穿越频率，是指环路增益为OdB时对应的频率；

2

■意义：剪切频率越高，响应速度越快，但更容易引起环路不稳定或振荡;

剪切频率过低则环路瞬态响应不够，可能导致输出电压异常；

■经验值：通常剪切频率设计为开关频率的1/10~"20；瞬态响应不足的系

统往往其剪切频率低于lOKHz,此时环路处于过度补偿的状态；

＞瞬态响应：主要表征因负载变化而引起的输出电压变化，瞬态响应越差，则

相同负载变化引起的输出电压变化越大；

＞相位/增益裕量：

■定义：相位峪量——当环路增益为0时，对应的信号相位与360。的差值，

如下波特图所示的系统，其相位裕量为80.23。；

增益峪量一一当信号相位为。时，对应的负增益量，如下波特图所

示的系统，其增益裕量大约为-：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侦1

10—

Frequency(kHz)

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

■意义：表征开关电源的稳定度，如相位裕量或(和)增益裕量不够，则可

能因温度、PCB布局布线以及器件个体差异等影响，使系统进入不稳定或

振荡的状态；

■经验值：足够稳定的开关电源设计，一•般应使相位裕量出5。，增益裕量

＜-10dBo

以上环路设计指标也可以计算，但因为计算要涉及到一些芯片内部的组件及其参

数，手册上不一定全部清楚给出，而且就算给出了所有参数，这些指标的计算也较复杂

3

和易错，所以这些指标要想通过计算实现设计基本上很难，而仿真软件的价值正在于此

-可以轻松的看出设计得出的环路指标。

此外，通过仿真软件也可以轻易得出恰当的电感及其纹波电流、输入输出电容、开

关频率以及功耗等，比起计算来，这样的方式无疑便捷很多。所以，借助仿真软件，可

以让开关电源的设计工作变得事半功倍。

2.2仿真结果完全正确？

上面的描述很容易造成对仿真软件的“神化”误解，事实上它不是神，在超出它能

力范围的地方是无能为力的。

因此，仿真结果是完全正确的吗？答案显然是否定的。

之所以仿真结果不能够完全正确，是因为器件个体差异，环境温度，以及PCB设计

这些因素都可能对开关电源的环路产生影响，而使实际情况与仿真情况偏离。而从上面

的描述可知，其实相位裕量和增益裕量之所以要求足够，正是由于要设计一个具有足够

“容错”能力的系统，使该系统在这些实际偏差因素的影响下，仍然保证系统的稳定性。

事实上，上述几个可能影响仿真结果的因素中，PCB设计是如此重要，以至于它可

能让你的开关电源设计无药可救一一如果PCB设计得太不恰当，那别说仿真软件，就算

是神，也救不了你的电源了；同时该因素也是上述几个因素中唯一可在设计中做工作的

部分，因此有的仿真软件也有推荐的PCB设计。

下面，就一个个来看看仿真软件们的能力吧。

（顺便说一句，其实上面我说错了，PCB设计太糟糕还是有个神可以救你的电源的，

那就是“版神”一一改版呗，还能怎样？）

3各仿真软件的介绍

3.1软件的安装

由于本文中介绍的几款电源仿真软件，其安装过程都比较简单，故这里就不一一赘

述，下面仅对安装稍微复杂点的LTpuwerCAD安装作个介绍，其他软件的安装基本按照

提示即可完成。

LTpowerCAD的安装比较简单，仅需要注意一下的是其软件环境要求，如下图所示：

/PersonalComputerwithMicrosoftWindowsXPSP2orlaterOS

/MicrosoftOfficeExcel2000,2003,2007or2010

/Microsoft.NETFramework3.5orHigher

4

图1LTpowerCAD的环境要求

实际的安装按照软件提示安装即可，如下图所示。

图2LTpowerCAD的安装

3.2LTpowerCAD------linear

3.2.1VER1.0版本

LTpowerCAD是linear公司的一款电源仿真软件，可以直接查看其相位裕量、剪切频

率、功耗、瞬态响应（部分器件）、参考的PCBlayout等，配合下面介绍的LTspice工

具，在使用凌特芯片中的没计或查找问题时有很大的用处。

LTpowerCAD的页面包含下图所示的3个大的部分，即主菜单页面、设计数据表和与

LTSpice接口，下面将对•每个部分做具体的介绍。

DesignSpreadsheet

w-

DesignPower

Stage

Components

DesignControl

Compensation

Loop

Transient

Response臼~J

Estimation

LayoutExample

图3LTpowerCAD的使用

•开始页面

5

开始页面如下图所示，共5个选项，含义都比较明确，就不再赘述，一般用得上的

就是前面两个选项。

aNewDesign

/TLiTEnCHNtOALOGtY

图4开始页面1

点击开始新设计将会自动弹出一个对话框，其界面如下图所示:

6

图5开始页面2

左上角的SupplySpecifications用于输入实际的应用参数---输入输出电压、电

流、几个通道、几相等，注意此处的参数必须全部设置。

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/

负载均分等；设置完这些之后点击“search”即可得到满足要求的器件，然后点击start

design即会弹出一个对话框，用于选择设计文件的保存位置，如下图所示：

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

图6选择设计数据表保存位置

输入名称，选择好保存位置，即可进入设计数据表。

•设计数据表

设计数据表主要包含“功率级设计”和“小信号模型和补偿调整”两个部分，需要

注意的是要先启用Excel工具的宏功能，Exccl2003和Exccl2007的设置分别如下图：

MicrosoftExcel2007MicrosoftExcel2003

SecurityWarning；

・'・/•・・・・・・・・・•・・・•・・・・・・・••・・・♦

-

EnableMacros广・、丁™，

-............b上―if%旷

■Click“Option…"Button■Click"EnableMacrosButton

■Select“Enablethiscontenf

图7启用。xccl的宏功能

1）功率级设计

8

功率级设计的其中一部分用于修改输入输出参数，与主菜单部分重复，这里就不再

过多描述，如下图所示，右上角对可修改（蓝色）和计算得出的值（黄色）作了颜色定

义以便区分:

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.

图8功率级设计1

功率级设计的另一部分比较重要，如下图所示，主要是一些具体的设计参数的修改,

以及其对芯片性能的影响。

如下图9所示，该部分主要是用于根据实际的应用情况修改各组件，并查看其影响.

例如，假设在所应用的环境下芯片推荐的电感值公司没有，那么当我们用了另一个电感

值是就应该用软件看一下纹波电流是否适合，流过电感的峰值电流是否超过其额定值，

芯片功耗是否能够接受等，如下图10所示。

当然还应看环路指标是否还恰当，可在“补偿调整”部分的数据框查看，这点在后

面介绍。

另外该部分包含两个豆要的功能，如下图9的右上角所示，分别为“Exportto

LTSpice"和"ViewLayoutExample”,含义是比较好理解的,就是指导出LTSpice可

仿真的文件，和查看参考的PCB设计。

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户Aa^ticA-C10万C150产

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

图9功率级设计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.丁产91.70%

w

图10功率级设计3

2）小信号模型和补偿调整

顾名思义，该部分包含的内容有瞬态响应的预估和环路补偿的调整等，如下身所示,

图11为瞬态响应的预估，图12为环路补偿的调整。

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.

图11小信号模型

如图11所示，通过设置负载的变化程度以及负载的变化率即可看出目前所设计电路

的瞬态响应性能；根据上面对瞬态响应的介绍，在设定相同的负载变化条件后，右图中

的电压偏移值越小，则瞬态响应性能越好。

需要注意的是，不是每个器件都有“瞬态响应预估”这个数据表（例如LTV4609就

没有）。

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

图12补偿调整

如上图12所示，通过调整右上角各阻容值，即可看到不同的补偿设计对环路各性能

的影响，列出的指标只有剪切频率（表中叫做环路带宽）和相位裕量，而没有增益裕量,

但囚其右下角有一个波特图，根据增益裕量的定义我们也可轻易从图中得出该指标，如

上图中该指标大约为-12dB左右。

•其他

数据表下端的菜单还会有其他的一些