电源仿真软件的介绍 chen.doc

电源仿真软件的介绍
电源仿真软件的介绍
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TI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：LTpowerCAD，LTspice；
TI公司：SwitherPro，SWIFT Designer，TINA。
基础铺垫
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——按照芯片手册的定义设置即可；
开关频率——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——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——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——下面将一一给出这几个指标的定义、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0dB时对应的频率；
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1/10~1/20；瞬态响应不足的系统往往其剪切频率低于10KHz，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：相位裕量——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，°；
增益裕量——当信号相位为0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-16dB；
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≥45°，增益裕量≤-10dB。
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。
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——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”——改版呗，还能怎样？）
各仿真软件的介绍
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LTpowerCAD安装作一个介绍，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：
LTpowerCAD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。