Power Stage Designer
- ZHCUAT3B November 2017 – February 2023

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USER'S GUIDE

Power Stage Designer

本资源的原文使用英文撰写。为方便起见，TI 提供了译文；由于翻译过程中可能使用了自动化工具，TI 不保证译文的准确性。为确认准确性，请务必访问 ti.com 参考最新的英文版本（控制文档）。

1 摘要

Power Stage Designer™ 软件工具是一款基于 Java® 的工具，通过根据用户的输入来计算 21 种拓扑的电压和电流来帮助工程师加速电源设计。另外，Power Stage Designer 还包含波特图绘图工具和具有各种功能的实用工具箱，可帮助您进行电源设计。本文档介绍了如何使用 Power Stage Designer 的不同功能，并阐明了这些功能背后的计算原理。

商标

Power Stage Designer™is a TM ofTI corporate name.

Java®is a reg TM ofOracle.

Other TMs

1 “Topologies”窗口

要使用 Power Stage Designer 开始电源设计，首先从“Topology”菜单中选择一个拓扑。窗口会更改并显示所选拓扑的示意图，其中包含一组输入字段和各种输出值。输入电源规格参数后，Power Stage Designer 会建议输出电感值保持在输入的电流纹波要求以下。对于隔离式拓扑，该工具还会根据所选的最大占空比显示建议的变压器匝数比 (TTR)，并建议磁化电感的值。用户可以输入他们选择的值，并评估这些值对电压和电流波形，以及其他参数（如开通时间、关断时间和占空比）的影响。

图 1-1 展示了 Power Stage Designer 的主窗口，其中显示支持的拓扑。

图 1-1 显示所支持拓扑的 Power Stage Designer 主窗口

图 1-2 SEPIC 的拓扑窗口

点击原理图中的黄色突出显示元件之一（请参阅图 1-2）后，将在一个新窗口中显示此特定元件的电压和电流波形（请参阅图 1-3）。此窗口中还提供了其他信息，例如最小和最大电压、最小和最大电流，以及电流的均方根 (RMS)、平均值和 AC 值。可以使用滑块在整个输入电压范围内更改输入电压。对于大多数拓扑，可以使用第二个滑块在输入的输出电流的 1% 到 100% 的范围内更改负载电流。由于某些拓扑模型不支持如此宽的负载电流范围，因此只能在 50% 到 100% 的范围内调整负载电流滑块。准谐振反激式模型使用固定输出功率作为所有计算的基础。这就是负载电流滑块不适用于此特定拓扑的原因。

图 1-3 在 CCM 中运行的 SEPIC 的 FET Q1 图形窗口

注：

用于计算的所有公式都是理想情形，唯一的例外是考虑到了整流器和续流二极管的正向电压。有关某些拓扑背后的公式集合，请参阅电源拓扑手册。

2 FET Losses Calculator

通过 FET Losses Calculator，用户可以比较两个不同的 FET，或计算硬开关功率级中主 FET 和同步整流器的损耗。图 2-1 展示了“FET Losses Calculator”窗口。

注：

准谐振反激、LLC 半桥、LLC 全桥和相移全桥是谐振拓扑。手动输入可以提供更准确的结果。

图 2-1 “FET Losses Calculator”窗口

为了获得更准确的结果，确定电源管理控制器的栅极驱动电压 (V_GS) 至关重要，因为 Q_g（与驱动器损耗相关）和 R_DS(on) 的值取决于该电压，该电压必须从 FET 数据表中的图表中获取。

在电源的 FET 中可以看到的不同损耗包括传导损耗、开关损耗、C_oss 损耗和体二极管损耗。反向恢复损耗被忽略，但在高开关频率下会变得很重要。

传导损耗：

Equation1.

$P_{c o n d} = {I_{F E T, r m s}}^{2} \times R_{D S (o n)}$

开关损耗：

： ：

$t_{r i s e} = \frac{(Q_{g s} - Q_{g (t h)}) \times R_{g ： t o t a l}}{V_{G S} - \frac{V_{m i l l e r}}{2} - \frac{V_{G S (t h)}}{2}} + \frac{Q_{g d} \times R_{g ： t o t a l}}{V_{G S} - V_{m i l l e r}}$

： ：

$t_{f a l l} = \frac{Q_{g d} \times R_{g ： t o t a l}}{V_{m i l l e r}} + \frac{(Q_{g s} - Q_{g (t h)}) \times R_{g ： t o t a l}}{\frac{V_{m i l l e r}}{2} + \frac{V_{G S (t h)}}{2}}$

Equation2.

$P_{s W i t c h i n g} = V_{D S} \times \frac{f_{s W i t c h}}{2} \times (t_{r i s e} \times I_{F E T, m i n} + t_{f a l l} \times I_{F E T, m a x})$

C_oss 损耗：

Equation3.

$P_{C o s s} = C_{o s s} \times {V_{D S}}^{2} \times \frac{f_{s W i t c h}}{2}$

体二极管损耗：

Equation4.

$P_{b o d y} = V_{S D} \times f_{s W i t c h} \times (t_{d e a d, o n} \times I_{F E T, m i n} + t_{d e a d, o f f} \times I_{F E T, m a x})$

主 FET 的总损耗可以通过Equation5 计算

Equation5.

$P_{t o t a l} = P_{c o n d} + P_{s W i t c h i n g} + P_{C o s s}$

对于同步整流器，由于采用软开关，开关损耗为零，但在死区时间内，体二极管导通。因此，总损耗结果如Equation6 所示：

Equation6.

$P_{t o t a l} = P_{c o n d} + P_{b o d y} + P_{C o s s}$

此外，电源管理控制器中会出现驱动器损耗，计算方法如Equation7所示：

Equation7.

$P_{d r i v e r} = Q_{g} \times V_{G S} \times f_{s W i t c h}$

电源管理控制器通常具有有限的栅极驱动电流，这些电流可以拉出和灌入。因此，重要的是调整栅极驱动路径中的总电阻，使产生的栅极驱动电流等于或小于数据表中的限制。

3 Load Step Calculator

通过 Load Step Calculator，用户能够估算所需的最小输出电容，以便满足使用电流模式控制或电压模式控制方案的电源的特定负载瞬态要求。

图 3-1 “Load Step Calculator”窗口

电流模式控制 (CMC)：

Equation8.

$C_{o u t} = \frac{1}{2 \times π \times f_{c o} \times (\frac{{∆ V}_{o u t}}{{∆ I}_{t r a n}} - E S R) \times \sqrt{2 - 2 \times \cos (\frac{P M \times π}{180 °})}}$

电压模式控制 (VMC)：

Equation9.

$C_{o u t} = \frac{1}{2 \times π \times f_{c o} \times (\frac{1}{\frac{{∆ I}_{t r a n}}{{∆ V}_{o u t}} - \frac{1}{2 \times π \times f_{c o} \times L}} - E S R) \times \sqrt{2 - 2 \times \cos (\frac{P M \times π}{180 °})}}$

4 Capacitor Current Sharing Calculator

当在电源的输入端或输出端并联连接不同类型的电容器时，流经每个电容器的 RMS 电流是不同的，因为它取决于电容器在整个频率范围内的阻抗。要获得每个电容器的 RMS 电流的精确结果，必须计算开关频率的所有谐波的阻抗和电流。每个谐波的 RMS 电流必须根据谐波频率下总阻抗和单个电容器阻抗之间的比率，通过总电流信号的快速傅里叶变换 (FFT) 导出。

图 4-1 展示了 Capacitor Current Sharing Calculator。

注：

在 Power Stage Designer 中，仅在开关频率下计算阻抗和 RMS 电流。因此，得到的 RMS 电流是粗略的估计值。

图 4-1 Capacitor Current Sharing Calculator

可以按照Equation10 计算一个电容器在开关频率下的阻抗（n 可以是 1、2 或 3，并且是指电容器指数）：

Equation10.

$Z_{cap, n} = {ESRC}_{n} + i \times (2 \times π \times f_{swi t ch} \times {ESLC}_{n} - \frac{1}{2 \times π \times f_{switch} \times C_{n}})$

电容器的典型 ESL 值为 1nH 至 7nH。假设导体的寄生电感为 6nH/cm，陶瓷电容器的电感可以通过将该值乘以电容器长度来估算。PCB 布线和过孔可能会略微增大此值（请参阅 [1]）。

开关频率下三个并联电容器的总阻抗如Equation11 所示：

Equation11.

$Z_{t o t a l} = \frac{1}{\frac{1}{Z_{c a p, 1}} + \frac{1}{Z_{c a p, 2}} + \frac{1}{Z_{c a p, 3}}}$

在忽略包括开关频率的所有其他谐波时，一个电容器的 RMS 电流计算如 Equation12 所示：

Equation12.

$I_{r m s ： c a p, n} = I_{r m s, t o t a l} \times \frac{|Z_{t o t a l}|}{|Z_{c a p, n}|}$

5 面向交流/直流电源的大容量电容器计算器

交流/直流电源通常需要输入整流器后面的大容量电容器，该电容器为转换器级提供准恒定的输入电压（请参阅图 5-1）。Power Stage Designer 可以根据所需的最小恒电压 V_bulk,min、最大可接受电压纹波 ∆V（百分比）、输入电源 P_in 和最小线路频率 f_line,min 来计算最小电容（请参阅Equation13）。

图 5-1 “Bulk Capacitor Calculator for AC/DC Power Supplies”窗口

V_{A C, m i n} = \frac{V_{b u l k, m i n}}{(1 - ∆ V) \times \sqrt{2}}

t_{d i s c h a r g e} = \frac{1}{4 \times f_{l i n e, m i n}} + \frac{1}{2 \times π \times f_{l i n e, m i n}} \times \sin^{- 1} (1 - ∆ V)

t_{c h a r g e} = \frac{1}{4 \times f_{l i n e, m i n}} - \frac{1}{2 \times π \times f_{l i n e, m i n}} \times \sin^{- 1} (1 - ∆ V)

C_{b u l k} = \frac{2 \times P_{i n} \times t_{d i s c h a r g e}}{{V_{b u l k, m i n}}^{2} \times ({(\frac{1}{1 - ∆ V})}^{2} - 1)}

Equation13.

I_{b u l k ： r m s} = \sqrt{{(\frac{C_{b u l k} \times V_{b u l k, m i n} \times (\frac{1}{1 - ∆ V} - 1)}{t_{c h a r g e} \times \sqrt{3}})}^{2} + {(\frac{P_{i n}}{V_{b u l k, m i n}})}^{2}}