在电源设计工具(WebDesigner+ Power Supply)中使用标称输入电压来设计和选择产品

由  Surinder P. Singh 发布  - 11-11-2021 

长期以来,我们一直以极限值定义事物:最小或最大,价格范围,或距离范围。通常情况下,我们倾向于忽视标称值。不总是用极端值来定义事物,有时用其标称值来定义是有意义的。在WebDesigner+ Power Supply™工具中,我们提供了考虑标称电压工作的电源设计能力。

图 1:“有时做个正常人更好”。Surinder P. Singh 绘制的漫画和 Kush Kaur 的图形艺术作品。

极端环境下的电源设计

电源将电压从一个值转换为另一个值。输入电压通常是个范围,通常以标称电压为中心。然而,有些应用在标称值周围有一个不对称的范围。例如,假设源电压的标称值为12伏。在这种情况下,电源设计人员可出于对系统和应用的考虑,将电源输入电压范围设计为(例如)10至14伏。

考虑连接电池的汽车电源设计:汽车电池的标称电压为12伏。在冷启动期间,电池电压可能下降到3伏或6伏。在负载突降期间,电池电压可能高达28或36伏。这些严重的极端情况在标称电压周围是不对称的。汽车电源系统的设计人员知道,这些极端情况只是瞬态的。虽然电源设计需要在极端情况下承受和运作,但仍需要对标称电压下的情况进行优化。在这些情况下,WebDesigner+ Power Supply工具可助您使用标称电压进行选择和设计。

WebDesigner+ Power Supply采用标称输入电压

让我在WebDesigner+ Power Supply工具中演示这电源设计。从INPUTS选项卡开始,输入输入电压的最小值和最大值:将Vin min设为6伏,Vin max设为36伏。点击标有 "可选参数 "的可折叠标签,将其展开,并输入12伏的标称电压,如图2所示。您可看到,输入电压范围在标称电压周围并不对称:输入的下限是低于标称电压6伏(12-6=6伏),上限是高于标称电压24伏(36-12=24伏)。

INPUT screen of the WebDesigner+ Power Supply tool. The nominal input voltage is entered in the optional parameters area.

图 2:WebDesigner+ Power Supply工具的INPUT屏幕。在可选参数区域中输入标称输入电压

设置输出电压为3.3伏,输出电流为3安培。点击 "CALCULATE DESIGNS "按钮,进入SELECT屏幕,这里列出了各种电源方案,如图3所示。这个屏幕显示了设计的关键方面--计算出的能效和IC结温,以及估计的物料单(BOM)成本、BOM数量和占位。表的底部有一个注释,"*工作值是按标称输入电压(12 V)计算的",告知用户所有的工作值都是标称值,而不是输入电压范围的最坏情况。

SELECT screen of the WebDesigner+ Power Supply tool. All designs which will work for the given input-output conditions are shown. Solutions performance is shown and ranked for the nominal input voltage.

图 3:WebDesigner+ Power Supply工具的SELECT屏幕。显示了在给定输入输出条件的所有设计。显示在标称输入电压下的方案性能并进行排名。

虽然列出的设计考虑到了最小值和最大值,但设计结果、选择和产品排名是基于标称电压结果。让我们更深入研究一下。

我们的应用是汽车,所以我们点击 "IC功能 "下拉菜单,勾选 "符合车规",显示NCV891330PD33R2G为选项,如图4所示。要进入设计,点击迷你示意图或右边的SELECT按钮。

SELECT screen of the WebDesigner+ Power Supply tool with solutions filtered for automotive-qualified products only.

图 4:WebDesigner+ Power Supply工具的 SELECT 屏幕,这里只展示筛选出的符合车规的方案

您会看到DESIGN选项卡下面的子选项卡SCHEMATIC、OPERATING VALUES和CHARTS(见图5和6)。列出的是标称输入电压下的工作值(在我们的例子中是12伏)。这有利于使设计人员更少关注工作的极端情况,而更关注在标称输入电压下的性能优化,但设计必须生存和运行除外。工作值来自于电源的精密数学模型,以迭代自洽的方式计算。

DESIGN tab showing the schematic in the WebDesigner+ Power Supply.

图 5:WebDesigner+ Power Supply中的DESIGN选项卡显示原理图

DESIGN tab showing the operating values—calculated  at the nominal input voltage—in the WebDesigner+ Power Supply.

图 6:WebDesigner+ Power Supply中的DESIGN选项卡显示工作值,基于标称输入电压计算

点击子选项卡CHART。在图7中,您可看到图表绘制了三种输入电压条件:最小、标称和最大电压。由于最大值和最小值在标称值周围不对称,所以曲线也是不对称的。最大输入电压下的能效为65%,而最小输入电压下的能效为76%;在标称值下,能效为75%,更接近输入最小值的情况。然而,正如所讨论的那样,设计人员并不过于关注这些数值,因为电路处于极端情况下的时间很少。设计在标称电压下工作的时间占绝大多数,这让设计人员在选择设计和关注标称输入电压方面提供了宝贵的启示。

DESIGN tab showing the charts in the WebDesigner+ Power Supply. Charts are plotted at the nominal input voltage, in addition to the usual maximum and minimum value.

图 7:WebDesigner+ Power Supply中的DESIGN选项卡显示图表。除了通常的最大值和最小值外,图表还绘制了标称值

假设在INPUT屏幕上没有指定标称电压。在这种情况下,图表是基于最大和最小的平均值的 "标称 "电压而计算(21 V=(6+36)/2伏),而工作值基于最大电压的最坏情况而计算(36伏)。这些都不是用户特别关注的。SELECT屏幕根据最坏情况(Vin max = 36伏)的性能而不是标称电压对设计进行排名。作为练习,您可在不指定标称电压的情况下重复上述操作,看看结果有什么不同。

总结

走出您的舒适区;考虑常态。

虽然在某些情况下,极端设计至关重要,但在其他情况下,针对标称用例进行设计更为重要。下次设计电源时,您可针对极端情况进行设计,但可使用WebDesigner+ Power Supply工具优化基于标称电压的设计。

如果对新的WebDesigner+ Power Supply工具有任何问题、评论或需要帮助,请发电邮给我们:design.tools@onsemi.com,或在下面评论。

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