淺談如何善用線上設計工具縮短電源設計流程

　　在產品生命週期日趨縮短下，系統設計工程師必須及早在系統設計時，進行電源整合的考量，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設計，設計工程師可藉由電源電路的線上設計工具，來縮短前段處理，甚至完整設計的時間。

　　市場的競爭壓力迫使新一代產品的開發時間越來越短，較晚進入市場者，通常將喪失商機與市場占有率。

　　其中，負載點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，以及更快的運作頻率等挑戰，因此產品生命週期相當短，使得系統設計工程師再也不能將電源的設計與整體系統結構分開，如果沒有及早進行電源整合的考量，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品設計。

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

　　在電源電路設計上，由于新興的設計越來越復雜而且特殊化，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，工程師必須親手進行耗時的計算動作，同時耗費許多時間在架構塬型設計上，還得重復比較實驗室測量值與計算結果來加以修正。因此，在面臨急迫的設計期限時，通常會迫使許多工程師使用先前的設計進行漸進式修改，而無法採用最新技術。

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

　　完整解決方案趨于主流

　　半導體業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的電源管理電路設計。以國際整流器公司（IR）的myPOWER線上設計中心為例（圖 1），其包含一系列功率半導體、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，提供可預測電氣與溫度效能等經過完整測試與特性分類的參考設計。和常見的模擬電路板不同，這些參考設計都儘可能地反應實際電路的情況，提供如電路板布局、溫度設計，以及元件搭配最佳化等復雜問題的有效解答。

　　使用設計工程師輸入的運作參數、溫度情況與功能要求，這項設計工具能計算出電路耗損，并提供電路板布局、氣流安排與環境溫度，精確估算關鍵元件的接面溫度。這一系列的計算動作會在資料庫中合適的參考設計上重復執行，以便找出最佳設計，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，如此設計工程師就可以進行所有資料的比對，并取得符合設計目標的最佳解決方案選擇。

　　每個參考設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，提供給設計工程師搭配內含製造商元件編號與預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整設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證零件應力、零件值與電路連線，以便節省開發時間，所有數值都可以在幾秒鐘內加以改變，并重新進行評估，而非更換元件并重新焊接，因而得以節省大量時間。

　　在進行標準參考設計的客製化時，使用者可調整系統級輸入，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行取捨。完成后，整個電路可以立即重新進行模擬，為設計工程師免除更換零件的成本與時間，帶來進行大量設計修改的自由度。在設計工程師驗證了所選用的參考設計是否符合需求后，便可進行效能測試，并確認整個設計可以運作，同時所測量的結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計支援團隊為例，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計電路板，每個客製化電路板都經過針對規格的測試，并能產生可以直接運用到嵌入式應用的設計檔案。這些經過測試的客製化參考設計套件，將會針對線上所得的結果進行驗證，讓使用者可開始進行系統層級的效能測試。

　　電路設計自動化

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

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

　　自動化分析的結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生顯示交流電源諧振失真、輸出漣波電壓、整體迴路響應與誤差放大器響應的圖形（圖4），所有資料都以PDF檔提供，以方便設計工程師整合到個人的設計筆記本中。

　　在最佳情況下，這類線上工具可提供高密度、低成本PFC控制電路相關資訊，協助設計工程師直接取代現有電源、更換舊式連續導通模式PFC電路，而不須耗費太多寶貴時間在重復效能測試上。

　　節省時間 創造更大效益

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

　　當然，工程師也可以透過架構塬型機進行重復測試程序等舊方法來產生新設計，但這對專長于數位領域的系統設計工程師來說，卻不是簡單的工作，而且工程師們也沒有額外的時間。

　　模擬是讓設計工程師不須真正架構塬型機，而能夠找出并修正問題的良好方式，同時可以加速設計流程。不過，良好的模擬程式卻相當昂貴，而且須準備良好的電路模型，對不熟悉軟體或電路的工程師而言也相當耗時。然而，塬型機的製作還是有其存在的必要，因為大部分模擬結果的精確度，還不足以與良好的設計匹敵。

　　設計工具與網際網路的結合，加速了電路設計與塬型機製作，近年由于電子設計在復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，今日的設計工程師必須儘可能使用最新技術，來設計出尺寸更小且更有效率的電源轉換裝置。線上模擬與供貨系統工具軟體不僅有助于節省時間，同時也能確保具備有可運行塬型機與相關支援測試資料的穩固設計，透過高速模擬、成熟的設計平臺以及完全組裝且經過測試的參考設計電路板，設計工程師將可在整個開發流程的早期，取得有效的端對端設計解決方案。