盘毅条 廖柱帮 庞敏熙
摘要：本文介绍一个电子元件为基础的软件设计概念，以开关电源产品设计而言，元件、线路及环境结构决定了这个电源产品的各项特征。利用这个概念，我们开发了一个新的开关电源网上设计平台PowereSim。这套软件运作速度非常快，亦毋须使用者具有专业知识。只须输入开关电源的规格，整个开关电源设计可在瞬间完成。这个网上平台大大缩短了设计开关电源的时间。
叙词：开关电源、网上设计、仿真软件、元件为基础
1．引言
现在计算机辅助计算机(CAD)已经十分普遍，在开关电源设计方面，亦带来不少的方
便。计算机辅助设计软件工具大概可以分为两类：
·新技术开发软件—这类软件时帮助工程是开发新的技术，尝试不同的新概念。
·产品开发软件—这类软件主要帮助工程师利用现有技术，设计出不同的产品。
这两种软件在基础上有很大的分别。新技术开发软件必须用途广泛，能够处理及仿真各种不同的线路。同时输出的方式必须多样化，以便工程师能够从各个角度去分析线路及技术。至于可以用于开关电源开发设计的软件有SPICE、Saber、等线路仿真器等。另一方面，产品开发软件必须是针对性的，对工程师要求设计的产品有决断性及详细的建设建议。使用在产品上的技术是一般性及常用的，但是软件的反应速度必须很快。至于可以用于开关电源产品设计的软件有Power4-5-6，及一些个别的软件。数量方面比一般性的设计软件少得多。
这两种软件的使用对象不同。新技术开发软件是由开关电源工程师使用，他们对于开关电源有十分透彻的了解，同时亦要求软件提供各种不同的数据分析，以使他们做最后的决定。产品开发软件对使用者的专业要求不可以太高，以便非专业性的工程师亦能使用。它必须自动地从多方面考虑产品设计，然后有针对性及决断性地提出设计方案。
虽然这两种软件有很大的分别，但往往在实际使用上仍然模糊不清。有不少的新技术软件被当为产品开发软件使用，以致使用上有不少的困难。一方面软件要求的输入参数太过繁复，产品设计工程师往往无法提供足够的参数，软件因此无法顺利工作。此外，软件亦常常提供繁复及大量的输出数据，而欠缺决定性的方案，以致产品工程师无所适从。
有些设计软件把多种不同的软件捆绑在一个平台上，以求达到多功能的效果。这种方法往往因为各种不同软件有不同的需求，而运作上都举步维艰。
有些软件提供一些硬性的设计步骤，以适应软件的结构。但是在开关电源设计而言，因为产品需要变化多端，有些产品以价钱为主，有些以产品体积为主，有些以效率为主，但一硬性的设计步骤往往不能符合各方面的需要。
本文将提出一个新的开关电源产品开发软件，以针对上述问题。这个开发概念以电子元件为基础，它可以针对性及决定性地提出设计方案，而不要使用者提供太多的参数。这个软件融合开关电源需要的多项设计功能，包括电子线路、温度处理、电子元件可靠性等等，结合在一个平台上。同时，这个软件是通过国际互联网使用，使工程师无论何时何地都可以使用这个软件。为了达到可以在互联网上使用，这个软件的运算速度一定要非常高，同时亦要毋须训练便可以使用。此外，这个软件亦包括一个庞大的电子元件库，包括数以万计的开关电源经常使用元件。这个元件库为设计工程师提供了可以在市场上获得的电子元件，进一步为工程师提供一个完整的开关电源设计方案。
2．软件设计概念
图1(a)区段显示一般开关电源设计的流程。首先是产品规格。产品规格详述电源的输
出、输入、体积大小、安全规格等等。跟着的一步就是要把产品规格转化成工程设计规格，并要求详细用数字表达出来。跟着就是运算的步骤。工程师根据产品规格运算出对各个元件的参数要求，例如每个电子元件的电流及电压，或变压器上绕组的圈数、电感等等。跟着就是选取元件。工程师根据计算出来的每一个元件参数，选择出需要的电子元件。当所有电子元件都已经选择妥当，这个产品就大致设计完成。收集所有元件之后，工程师就可以动手做出产品原型。
这个设计流程看来好像很简单，但运作起来时非常复杂的。首先这个流程非常依靠工程师的个人专业技术。试想如果工程师在运算过程中稍有错漏，产品就会有缺陷或者不能达到规格的要求。这些错漏可能在产品原型甚至在生产过程中才会被发现，这样便会带来不小的损失。第二，在选取元件的过程中，由于可用的元件数目非常庞大，以个人能力选择的元件未必是最适合，同时这项工作亦非常繁琐，耗费不少人力。第三，开关电源模拟电路设计往往是互有关联。选取一个元件可能会牵动其他设计参数，整个产品设计应该重复一遍。然而，庞大的元件选择必然导致多次的设计反复运算，消耗在设计上的资源亦非常庞大。现在计算机辅助设计虽然可以在个别的环节带来不少帮助，但由于整个设计系统是以个人控制为主，效果也不理想。
本篇文章提出一个较佳的开关电源设计概念，图1(b)，设计流程以电子元件为基础，并采用多次反复运算以达到最佳的效果。整个流程以自动化为主，完全不需要使用者在运算期间输入参数，以便非专业性的工程师亦可以容易使用。
现在解释何谓电子元件为基础。首先开关电源产品常用的多数是几个成熟的电子电路，例如反激式电路、正激式电路、桥式电路等。产品的设计质量往往是取决于电子元件的选择。只要电子元件选择适当，产品是可以达到质量高价钱平的要求。以成熟的电源产品而言，电子元件的选择起了决定性的作用。现在提出的设计流程是尽快把规格转达成电子元件的选择，然后因应产品规格的要求，从元件库选择不同的电子元件，进行反复运算。
我们在这里提出一个多模块的运算方式。整个开关电源的运算可以分为多个模块同时进行运算，这样可以减少交叉运算的次数，亦会避免不收敛的问题。选择电子元件之后，就可以进行反复运算。具体的电源设计条件亦可加入运算，以减少运算次数，从而缩短运算时间。
多模块的运算方式方法亦可以进行优化重复运算。有关的电源设计可以就效率、体积、或其他条件作为优化的目的。
整个设计手段是以电路及产品规格为出发点。这两项决定以后，软件程式就可以很快选取第一套电子元件。跟着电子元件的选择，可以不断改变，从而优化某些指定项目。运算次数越多，元件的交叉组合越多，优化的项目就更理想。
3．目标处理程序
正如上文第二章所说，整个设计需要反复运算及接受不同的电子元件，目标处理程序是
一个很适合的方式。要达到目标处理程序的方式，首先电源转换器线路上有关的函数要转变成目标处理程式图2(a)。其次，每个电子元件的等效线路都要转换成个别的目标处理程序图2(b)。事实上，所有在开关电源内的元件都可以被视为个别目标程式。最大的目标程式就是开关电源整体，而最小的目标程式就是每一个小元件。我们把这样的一个以元件为中心的程序处理方式叫做元件基础结构Component Based Architecture(CBA)。
利用元件基础结构CBA做为电脑仿真计算，在运算速度上和数字收敛稳定性方面，都
有很大的好处。一个开关电源往往是决定于下列三个因素：电路的选择、元件的选择和元件的摆放位置或环境因素。这三个因素确定以后，电源的各种具体表现往往是一致的。这就表示着电源的各种表现参数，都可以用直接的函数或目标处理程序快速运算出来图3。计算的速度往往被一般数字式反复运算快好几百倍以上。在数字收敛方面，一般的软件都常常因为假设性的元件参数而导致数字收敛上的问题。举例说一个电容元件的串联电阻可能被假定为零，但是当有一个电压接到这个电容时，就会产生无限大的电流。一般的软件仿真就常会导致数字收敛不稳定，亦为使用者带来不少烦恼。元件基础结构CBA就可以解决这个问题。因为所有元件都是真实的元件，并具有真实的参数，而没有假设成或不切实际的参数，因此不会产生数字收敛不稳定的问题。
有些工程师可能会担心要把所有真实的元件参数都输入，会花去很多时间去测量成千上万的各种电子元件。事实上，各种元件的参数虽然多，但只需要输入一次及建立一个庞大的元件库，就可以供多人多次使用。以下要介绍的这个软件，就有一个庞大的元件库，包含大部分开关电源所需的电子元件，工程师无须个别输入电子元件参数。
4．一个在互联网上的开关电源设计工具
我们利用元件基础结构CBA运算速度快的优越性能，开发了一套在互联网上可以使用的软件。在互联网上可以使用的工程设计软件，有很多明显的好处。互联网全天候覆盖全球，直接冲破了时间和地域的限制。无论工程师在何时何地，都可以设计开关电源。此外。亦可省去软件及保养等问题，的确是带来了无穷的方便。
但是，在互联网上提供工程设计工具有很多技术上的问题。首先，软件运作及反应的速度是一个关键性的问题。如果速度过慢，不能紧贴使用者的设计思维，使用者就很快会失去兴趣。因此，这些设计工具反应必须很快，要求就要好像一般的文字式网页一样。一般的工程设计软件就不能达到这样的速度要求。元件基础结构CBA的运算速度比一般的软件快好几百倍，正好符合网上工程设计元件的要求。次外，软件操作简单是一个关键性问题。一般使用者在互联网上使用浏览器浏览网页时不需要经过特殊训练的，所以网上设计工具亦不应要求使用者通过长时间的训练才懂得使用。为了达到这个目的，使用者介面必须非常简单。对一个电源设计工程师而言，是应该完全不需要经过训练，就可以马上使用这些网上设计工具的。当然，这样亦会大大地增加了设计这工具的难度。
一套新的软件PowereSim，正迎合了上述网上设计工程软件的要求。它使用了元件基础结构CBA做为开发基础，达到反应速度和一般文字性的网页差不多。同时，它以一般的网页浏览器为基础。完全毋须训练就可以使用。只须输入对开关电源的规格要求，整个电源设计及有关文件例如线路图，元件规格等等马上完成。大大把开关电源产品设计的工作简化。
5．从理论到实践
5．1 PowereSim基本功能
首先使用者可以选择不同的电路。可供选择的拓扑有常用的反激式电路及正激式电路等。选定电路以后，使用者可以马上输入电源的规格。最简单的规格就是输入电源及输出电源的要求。如果使用者需要更详细的规格，例如输出电压波纹、或电源体积大小等等，亦可以把要求一一输入。规格确定以后，在滑鼠上一点，整个设计就基本上完成。图4 显示出与使用者的介面图像。
这个软件的工作程序很简单。确定电源规格以后，软件会自动选择一套基本的元件，以应用在选择的电路拓扑。软件选择决定以后，便马上进行仿真运算。利用目标处理程序及对该电路拓扑特有的函数，整个电元件路的各项特性就很快被算出来。这包括所有的电流、电压及元件温度等等。
这个软件对使用者要求输入的参数很简单。电源规格确定以后，使用者毋须再中途加入参数。软件会根据电源的要求而自动选择元件。当然，对元件选择有个别要求的使用者，这套软件亦提供了一个很充实的元件库，以供使用者选择。
图5显示出仿真元件完成基本设计后可以提供的种种详细资料。首先每个元件的损耗都
已列表，使用者可以监视每一个元件的损耗，从而决定是否需要改变选择。重要的电压及电流波形，在菜单上亦有提供。决定电源稳定性的闭环设计，亦有清楚的显示。在交流转直流电源来说，输入的电流谐波分析尤为重要。这个软件提供输入电流电压的波形(图6)，加上谐波分析并与国际标准作比较，以便工程师可以直接作出评估。元件温度往往是工程师最关注的参数，因为温度可以直接影响工作性能及可靠性。这套软件计算出元件选后之后，会根据软件的体积及摆放环境而计算出温度。温度是由颜色分布图显示出来(图7)，以便工程师改变元件分布以达到最佳效果。有了电流、电压、温度等等，元件的可靠性(MTBF)就可以根据有关标准计算出来。对于高可靠性的电源设计而言，MTBF计算是不可缺少的。此外，一个电源产品有关的文件对生产程序十分重要。这软件亦提供了详尽的元件表(BOM)，以便搜购元件。为了确保元件的正确使用，这套软件亦提供了各元件的负载检测，有关的文件及核对表亦由软件自动制造。整个软件的操作，尽量全面自动化及减少对工程师的要求，使用上十分简单，亦无须加入难以预知的参数。
5．2建造变压器
变压器是开关电源的心脏元件，往往影响整个电源的操作性能。但是变压器的各种绕圈方法。除了指定铜线的大小之外，还提供了绝缘物料的厚度、分隔距离、以及所选用的胶条等等。有了这些结构上的参数，软件就会直接计算出电路上所需要的数值，例如电感及漏感等等。这些电脑上的数值都会在仿真计算上使用，以求计算结果尽量准确。
图8显示出变压器设计的介面。首先软件会提供一套适合电源规格的设计，以便工程师参考。但是工程师亦可随时调节任何参数，包括有关圈数，各个线圈的用料及摆放等等。而有关的改变，亦会马上运算成有关的电路参数，以重新计算开关电源的各个特性。同时，有关的变压器图则亦会自动准备好，以便配合生产使用。
5．3个别元件的选择
PowereSim具有一个庞大的元件库。从数万个元件中，工程师可以随意选择个别的元件。当然，软件所提供的元件选择，都是适合有关的电源规格。图9显示出元件的选择是以菜单的介面方式。一经有关元件被选定以后，所有的电源特征包括个别元件的损耗、波形等等都会重新运算，并马上展示，以便工程师决定是否采用该元件。由于CBA的结构，运算的速度非常快，结果可以实时完成并显示结果。工程师可以在短时间内使用很多的元件，以达到电源产品的最佳设计效果。
6．与实验比较
利用PowereSim这套软件，我们设计并制造了一个反激式开关电源，以供比较。图10展示了这个开框式电源。
这个电源的测试结果和仿真结果十分吻合。无论在效率、波形、输入谐波、元件温度比较，都在仿真运算预测的范围之内，这样便进一步证明了PowereSim这套软件的可靠性。
7．结语
本文提出以元件基础结构Component Bsaed Architecture CBA为概念的开关电源网上设计软件。这个概念是以决定个别电路及元件为先，然后以目标处理程序及直接函数作为仿真计算。这个好处是计算机速度非常快，比一般数字反复运算的软件快好几百倍以上，同时亦避免了数字收敛的问题。利用这个概念我们开发了一套新的开关电源仿真软件PowereSim。这套软件的特性是通过互联网操作，正好利用了CBA运算速度快及稳定的特性，使该软件可以随时随地使用。这套软件使用简单，通过一般浏览器就可以使用。软件提供多种类的功能及运算输出，以便工程师可以快速地设计电源产品，并选择最适合的元件。同时，这软件可以为工程师提供难以预知的参数。这套软件的运算结果，与按照设计方案制造的开关电源产品比较，结果非常吻合，进一步证明了这个概念及元件的可靠性。
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