高效DC-DC轉換器設計：Altium Designer 24 MixedSim的自動測量功能

在現代電子裝置中，提供量身客製化的電源解決方案是一項關鍵挑戰。這部分可能包含多種不同的開關模式電源（SMPS），如AC到DC轉換器或DC到DC轉換器。在高功率應用中，AC到DC轉換可能需要PFC控制器來實現裝置的良好功率因數（即減少諧波和表觀功率消耗）。SMPS設計中的典型挑戰包括：

1. 為實現設計所需的電源電壓和電流而設定的SMPS調節器數量；

2. 實現成本；

3. 實現設計所需的面積；

4. 佈局設計；

5. 效率和減少熱量或熱管理設計支援。

「4」和「5」這兩點可以透過Altium Designer的Mixed Simulation輕鬆解決。例如，您可以使用Power Analyzer by Keysight來模擬PCB中的電流密度，這可以與Altium Designer整合。本文深入探討如何使DC-DC降壓轉換器更有效率，並分享一些快速估算其效率的簡便有效的技巧。

關於降壓轉換器設計

基本的降壓轉換器原理圖如圖1所示：

圖1

它使用四個運算放大器來建立斜坡訊號發生器（U3A）、誤差放大器（U1B）、斜坡訊號緩衝器（U2B）和調製器（U2A）。參考電壓模擬為透過RC網路連接到誤差放大器的直流源，提供軟啟動功能。圖1是一個電壓模式轉換器，使用PWM調製來設定輸出電壓。

功率級圍繞Q1、L1、D2和C2構建，R7作為轉換器的負載電阻。與U3A相關的元件設定操作頻率，可以透過更改C1輕鬆調整。當C1設定為4.3nF時，頻率約為100kHz。補償網路（C4、C3-R10和R12-C6）影響轉換器的穩定性，可以調整以改善穩定性或階躍響應。R8和R9與參考電壓一起設定輸出電壓。在這種情況下，R8和R9建立了一個1:2的分壓器，導致輸出電壓為6V。

圖2顯示了模擬期間收集的訊號。輸出電流設定為2A，這也反映在L1的平均電流中。

圖2

要估算設計的效率，必須從設計中計算兩個量：輸入功率和輸出功率。輸出功率與輸入功率的比率就是效率。

在Altium Designer中使用SPICE模擬可以輕鬆提供功率計算，並透過這些量的除法來確定效率值。

如何計算輸入功率

DC-DC 轉換器的輸入電源來自 V1（直流電源）。您可以從「新增輸出」視窗取得 V1 電源，該視窗可透過「模擬儀表板」索引標籤存取（見圖3）。

圖三

圖4顯示了功率圖：

圖4

要計算功率消耗，可以使用AVG（）表達式平均波形（見圖5）。

圖5

圖6展示了平均波形，雖然由於窗口跨度有一些漣漪。可以使用游標讀取功率消耗，顯示為13.26W。

圖6

要取得轉換器輸入的瞬時功率，可以如圖 7 所示設定測量。

圖7

此外，應該從波形表達式中刪除AVG（）函式，以避免對已經平均的波形進行平均，這可能會導致不準確。Sim Data Measurements索引標籤將顯示由V1提供的功率，如圖8所示。

圖8

如何計算輸出功率

輸出功率（提供給R7）計算可以按照圖9和圖10所示的方法進行。

圖9：R7功率軌跡的組態

圖10：透過“測量”獲得的輸入（PWR-IN）和輸出（PWR-OUT）功率值

如何計算效率

計算效率的下一步是將輸出功率除以輸入功率。一種方法是在圖中建立一個表示兩個功率比值的軌跡（圖11），並取平均值（圖12）。您可以乘以100以百分比表示結果。請注意，測量中的AVG（）函式應用在875µs到1ms的時間跨度內，以平均僅可視為穩態的波形部分（見圖13）。

圖11：效率的軌跡表達式

圖12：效率計算的測量組態

圖13：效率計算的測量組態

效率值顯示在Sim Data索引標籤中（圖14）。測得的值為0.82（82%）。可能需要對圖1中的設計進行額外更改以提高效率（即減少熱量散失）。例如，可以使用同步整流代替D2，或增加Q1門的驅動強度。

圖14：在“測量”索引標籤中顯示的DC-DC轉換器效率

總結

在Altium Designer中使用SPICE模擬可以解決您的電源設計挑戰，減少時間和成本。使用測量和數學運算等進階選項，輕鬆實施效率或電感電流的測量以及實時設計調整。模擬環境的易用性和靈活性可以處理即使是複雜的設計挑戰，節省您的時間，使您能夠專注於實現最佳設計。