对比方案赛+利用Webench辅助的无刷电机控制板的电源设计

系统需求：无刷电机控制板输入为3串磷酸铁锂电池供电，供电电压为8.4V~11.1V。控制板上MCU采用TI的LM3S5K31，比较器采用TI的LMV393-N。需要为其设计供电电源。系统工作在常温环境。 需求分析：查阅MCU的Datasheet，电源需求规格如下： 功率消耗如下： 综上，MCU的供电电压为3.3V，最大消耗电流123mA，加上板子上其他器件需求，3.3V供电在500mA可以满足系统需求。 比较器采用LMV393,查阅Datasheet， 比较器功耗很小，电流消耗是uA级别的。这里采用5V供电。由于无刷电机转速范围在25000转/分以内，所以对比较器的速度要求来说相对不是太高，不过为了避免纹波对比较器参考电压的影响，我们在成本范围内尽量考虑减小纹波。 所以系统需要1路3.3V输出和1路5V输出，考虑到电源使用余量，每路电源驱动能力设计为500mA。输入电压范围设定为DC8~12V。 系统设计： 首先采用webench进行驱动电路的设计。webench提供了多负载电源设计工具。 我们在紫色标示处输入相应的供电参数，然后点击篮圈中的按钮Power Architect进行设计 系统采用一个电源供电，两路输出，所以这里点击紫色圈中的按钮“添加负载”，添加另外一路负载。 由于纹波会影响比较器的基准电压，所以我们这里设置最大输出纹波电压为5%,负载电压为5.0V,最大负载电流0.5A。 电源无需隔离，也不需要外部同步，所以这里不在需要其他的设置。 点击右侧提交项目要求按钮，开始进行设计。 点击工作区下面中间的两个绿色按钮，Get More Rail Solutions和Get More PMIC/PMU Solutions，可以获取更多的设计方案供选择。 参考上面两幅截图，可以看到第二张截图中给出了12中方案，默认只给出了一种方案。 在第二幅截图的左边的高阶图表中我们可以直观的看到不同中方案的效率，BOM成本和整体大小的比较。 鼠标移动到绿色圆点上，可以显示出这一方案的基本信息：方案ID，BOM成本，效率和封装面积等信息。 点击该圆点，可以直接选中系统给出的对应的项目。综合成本效率和封装，我们选择PMU-TPS54494方案。 当选中该方案时，右下角系统架构图也会同步的更新为所选择的器件。 点击右上角的“检视项目细节”按钮，可以进一步查看该设计方案的信息 确认无误，点击右上角的Create Project生成该方案的设计 系统提示This project has errors。紫色圆圈中标示了错误，原来是3.3V@500mA这一路有问题。 返回重新选择方案 这次选择由TPS62172和TPS62173组成的供电设计方案。 效率稍微低了一点，但是封装和成本都要低很多。 选中TPS62172，在右下角可以选择不同的替代器件，系统给出了不同替代电路的效率，成本以及BOM面积 同样选中TPS62173也可以选择不同的替代器件。 这里暂时选择系统推荐的器件。然后生成设计。 默认工作区域显示的是Supply1的电路以及参数。 点击左侧紫色圆圈中的Supply2，系统会更新为Supply2的相关参数。看到上面两幅图片，我们可以看到原理图中选用的器件已经更新。 由于webench提供了非常强大的仿真功能，我们可以利用其完成常规设计所无法做的仿真操作。 我们先利用其仿真功能，以TPS62173为例，对于系统给出的不同中的优化方案进行比对看看其都有什么差异。 首先将优化旋钮调整到最小覆盖面积，然后将旋钮调整到最高效率，比较两种方案的不同差异。 通过比对我们发现，优化旋钮调整到最小按面积的时候系统整体效率为89.5%，整体大小为117mm2；优化旋钮调整到最高效率的时候，整体效率为89.9%，整体大小为157mm2. 在对比其发热情况。由于两种方案的效率损失很小，只有0.4%,所以理论上热仿真结果的发热量差异应该不大。 实际利用工具进行对比一下。 优化为最高效率时的热仿真。由于系统效率比较高，发热不大，为了是图像显示清晰，调整了一下紫色圆圈中的温度计比例，为30~60度范围。这样整体看起来变化明显一些。 优化为最小PCB面积时的热仿真： 从热仿真图上看最小优化为最小PCB面积时，PCB上的发热比最高效率稍微高出一些。具体数值我们在工作温度表格中可以看出： PCB的TOP层最高温度为 50度 VS 53度 PCB的BOTTOM层最高温度为 49度 VS 51度 其他的IC,电容电感上的温度均有2~4度的差异。 这个和理论分析相似。 对于原理图，优化为最高效率时： 优化为最小PCB面积时 比对两种方案的原理图，没有什么差异。所以这一点搞不太明白就是系统的“优化”都做做了什么方面的操作。 选择最小PCB面积的优化方案来完成这个设计。参考器件Datasheet， 下面进行在线仿真： 利用在线仿真可以根据仿真的结果评估该电路是否能够满足系统的需求。 Start up Steady State Load Transient Input Transient 比对器件Datasheet上给出的特性曲线 利用系统提供的设计，整个电路输入输出处在一个很好的工作点上。 以TPS62172为例，仿真报告如下： 最后导出系统设计的CAD文件。webench给出了这个系统的原理图和PCB Layout。尽管最终设计的电路或者PCB是和系统提供的是有差异的，比如需要外加指示灯，保护电路等等，但是利用系统给出的设计不失为一个很不错的参考设计。 系统提供的文件并不能直接通过Cadence来打开，解压缩后，里面的readme.txt给出了详尽的指导说明。原理图打开效果如下： 系统设计报告： 整体来说，利用Webench进行电路设计时，更多的是关注系统的需求，根据系统的需求输入合适的设计参数，然后根据系统提供的多种设计方案，进行优选。不必把大量的精力放在器件的选型等上面。而且系统能够提供很详尽的设计报告以及仿真报告。 存在的问题:Webench服务器有的时候会长时间无法响应，系统可能一直处于Refreshing Design...的状态，或者在使用的过程中，出现设计报告无法下载的，点击打印报告，在弹出的网页中没有任何响应。曾经以为是网络问题，后来“翻墙”直接利用美国的服务器登录webench，也出现类似的现象。说明还是webench服务器的问题。而且出现此问题的时候，无法停止或者刷新，你需要关闭工作区，重新开启设计。希望在未来能够进一步优化，解决此问题。 还有一点就是系统设计报告和仿真报告，像滤波器的设计都在打印报告按钮中可以选择，但是多负载电源设计的设计报告只能在仿真界面才能打印。如果从使用方便性上考虑，一并放到打印报告按钮中进行打印更为方便。 相对于人工设计此电路，根据经验，通常考虑使用Buck电路，先将8~12V降压到5.0V,然后利用LDO输出3.3V电压。在这个过程中，需要将5V输出的驱动能力做大，以免LDO消耗电流对5V输出存在干扰。而且，控制整个电路的纹波在一定的范围内是个比较头疼的事情。在元器件的选型上，首先需要筛选大量的元器件，选定了控制电路后，还需要对外围元件参数进行大量的计算。在纹波控制上，甚至需要考虑使用纹波注入电路等来控制系统输出纹波。输出的电容电感参数计算，等等。更多的工作是关注在细节问题上。 下图是自己设计的5V转3.3V 电路， 如果想仿真的话，当然你可以说我选择使用第三方的仿真工具，没错，确实可以完成，不过建模什么的，还有一大堆工作需要做。就算这样，做完了心里还是没有底气的，还需要打板，回来加上负载，示波器，加上不同的输入电压，调整不同的负载功率，然后去检查输出的功能是否能够达到要求，输出的纹波是否能够满足设计需求。而且热仿真不是每个实验室都能顺利的做测试的。总之，需要花费很大的精力和物力，期间的痛苦只有自己才能知道。而利用Webench完成这些操作，仅仅需要几分钟时间，从元器件的选型，BOM成本计算，在线仿真，热仿真等等，一切都搞定。 本帖最后由 azhiking 于 2014-8-26 20:02 编辑