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}}

6 RCD-Snubber Calculator for Flyback Converters

在反激式转换器中，输出电压从次级侧反射到初级侧。此外，由布局和反激式变压器漏电感引起的寄生效应会导致电压尖峰，然后在 MOSFET 关闭时产生振铃。可以通过与初级绕组并联实施 RCD 缓冲器电路来限制电压尖峰和振铃。高频振铃的能量在 RCD 网络中消散。Power Stage Designer 中的 RCD-Snubber Calculator for Flyback Converters 可以帮助设计人员根据用户输入选择缓冲器电阻器和电容器的起始值，具体如下：

输出电压与整流器电压之和
反激式变压器匝数比
漏电感
最大初级电流
开关频率
允许的电压过冲作为一个因素
缓冲器电容器电压纹波百分比

图 6-1 展示了“RCD-Snubber Calculator for Flyback Converters”窗口。

图 6-1 “RCD-Snubber Calculator for Flyback Converters”窗口

V_snub 是反射输出电压加上由变压器漏电感和开关节点寄生效应引起的允许过冲。因此，K_snub 的值大于 1。对于大多数应用，TI 建议使用值 1.5，允许 50% 的过冲（请参阅 [1]）。请参阅Equation14。

Equation14.

V_{s n u b} = K_{s n u b} \times \frac{N_{p}}{N_{s}} \times (V_{o u t} + V_{f})

启动缓冲器电阻：

Equation15.

R_{s n u b} = \frac{{V_{s n u b}}^{2}}{{\frac{1}{2} \times L}_{l e a k} \times {I_{m a x, p r i}}^{2} \times \frac{V_{s n u b}}{V_{s n u b} - \frac{N_{p}}{N_{s}} \times (V_{o u t} + V_{f})} \times f_{s W i t c h}}

起始缓冲电容：

Equation16.

C_{s n u b} = \frac{V_{s n u b}}{{∆ V}_{s n u b} \times V_{s n u b} \times R_{s n u b} \times f_{s W i t c h}}

7 RC-Snubber Calculator

RC 缓冲器电路是一种减少开关模式电源中振铃的方案。替代方案是使用 MOSFET 栅极电阻器或与自举电容器串联的电阻器来延长上升和/或下降时间。借助 RC-Snubber Calculator，Power Stage Designer 可以帮助设计人员确定缓冲器电阻器和电容器的起始值。

图 7-1 展示了“RC-Snubber Calculator”窗口。

图 7-1 “RC-Snubber Calculator”窗口

测量无缓冲器网络的电路的振荡频率 f₀。
与整流器或 FET 并联添加电容器 C₁，并测量偏移的振荡频率 f₁。选择一个 C₁ 值，该值比整流器在全反向电压下规定的典型电容或 FET 的输出电容大几倍。
输入这三个值后，该工具将为 R-C 缓冲器网络建议起始值。

频移比：

Equation17.

m = \frac{f_{0}}{f_{1}}

寄生电容：

Equation18.

C_{0} = \frac{C_{1}}{m^{2} - 1}

寄生电感：

Equation19.

L = \frac{m^{2} - 1}{{(2 \times π \times f_{0})}^{2} \times C_{1}}

初始缓冲器电容：

Equation20.

C_{s n u b} = 3 \times C_{0}

初始缓冲器电阻：

Equation21.

R_{s n u b} = \sqrt{\frac{L}{C_{0}}}

8 Output Voltage Resistor Divider

Output Voltage Resistor Divider 工具根据输入的参考电压、参考电压容差和所需电阻值计算所选 E 系列的最接近电阻值，以便匹配指定的输出电压。可以为高侧 (HS) 电阻器或低侧 (LS) 电阻器输入电阻值。也可以并联两个电阻以获得更精确的结果。以下公式在考虑电阻容差和参考电压容差的同时，计算产生的输出电压。但是，由于计算中未考虑偏置电流造成的影响，因此这些值为估计值。

图 8-1 展示了“Output Voltage Resistor Divider Calculator”窗口。

图 8-1 “Output Voltage Resistor Divider Calculator”窗口

具有所选电阻值的有效输出电压（请参阅Equation22）：

V_{o u t, r e a l} = V_{r e f} \times \frac{R_{H S} + R_{L S}}{R_{L S}}

Equation22.

{∆ V}_{o u t} = \frac{V_{o u t, r e a l} - V_{o u t}}{V_{o u t}}

偏置电流：

Equation23.

I_{b i a s} = \frac{V_{o u t, r e a l}}{R_{H S} + R_{L S}}

最坏情况下的最小输出电压：

V_{o u t, m i n} = V_{r e f ， m i n} \times \frac{R_{H S, m i n} + R_{L S, m a x}}{R_{L S, m a x}}

Equation24.

{∆ V}_{o u t, m i n} = \frac{V_{o u t, m i n} - V_{o u t}}{V_{o u t}}

最坏情况下的最大输出电压：

V_{o u t, m a x} = V_{r e f ， m a x} \times \frac{R_{H S, m a x} + R_{L S, m i n}}{R_{L S, m i n}}

Equation25.

{∆ V}_{o u t, m a x} = \frac{V_{o u t, m a x} - V_{o u t}}{V_{o u t}}