Webench在开关电源设计中的应用

浙江大学电气工程学院  徐强华 谢瑞

一、引言

在电力电子领域，仿真变得越来越重要，另一方面，电力电子设计对仿真提出了越来越严格的要求。随着计算机技术的普及与发展，电子设计自动化 (Electronic Design Automation，即EDA)技术则成为现在设计电子电路必不可少的工具和手段。计算机仿真具有效率高、精度高、可靠性高和成本低等特点，已经广泛应用于电力电子电路和系统的分析和设计中。计算机仿真不仅可以取代系统的许多繁琐的人工分析，减轻劳动强度，提高分析和设计能力，避免了解析法在近似处理中带来的较大误差，而且可以与实物调试相互补充，最大限度地降低设计成本，缩短系统研制周期。

美国国家半导体公司(National Semiconductor Corporation) 推出一个名为Solutions.National.com 的全新网站。这个互动网站拥有业内最齐备的WEBENCH 4.0设计工具软件，用户可以根据自己的具体要求，利用这套设计软件挑选最合适的芯片产品以及搜寻相关的设计资料，从而大幅缩短产品推出市场的时间。 WEBENCH 4.0设计工具还添加了多个专为开发高电压电源系统而设的开关电源系统设计方案。

二、Webench仿真软件的功能和特点

Webench设计工具提供了一个在线仿真的网站,用户可以通过浏览指示图选用这个网站所提供的几十个系统解决方案进行设计，挑选最合适的集成电路，利用Webench的专用设计工具进行网上热分析或电子特性模拟测试。用户还可以直接订购产品样品，订购的产品最短可以在一至两天内送到世界各地的客户手中。

此外， 美国国家半导体有全套各系列低压降稳压芯片的产品目录供客户参考。这套产品目录包括了五百多款全新的芯片，使Webench在线仿真网站的资料更为齐备。每一款建议选用的全新低压降芯片都附有一段简短的介绍，其中包括芯片的适用范围，工作环境，建议采用的最理想的散热方式，以供用户参考。

除了电源设计之外，Webench网上仿真软件还可以完成很多其他产品的设计，例如数模转换，运算放大器，音频放大器，有源滤波器等等，这些设计涉及到了电子产品的各个方面，由此可以看出Webench软件有着较为广泛的适用范围。

Webench4.0软件具有的主要优点包括以下几个方面：

(1) 更准确的模拟能力。Webench软件通过大量的模拟测试来确保模拟结果与实验数据相吻合，以便用户可以更为精确地修改不符合要求的实验模型。
(2) 更短的设计周期：Webench 4.0 工具套件采用业内标准的 SPICE 模拟模型，可以更加快速、更加方便地完成设计的配置。  
(3) 更强的复制能力：用户设置好相应参数之后，可以同时为多个不同的电路解决方案进行相同类型的测试，打破其他仿真软件每次只能对一个电路方案进行一项模拟测试的局限性。
(4) 更好的多种语言支持：Webench工具支持英文和日文的简单切换。这功能是业内其它设计工具所没有的。随着的Webench的自身不断完善，支持的语言种类将会包括韩文、甚至繁体或简体中文。

三、Webench仿真软件使用方法

利用Webench工具进行一个仿真设计可以大致分为四个步骤.

(一)选择关键部件

用户可以输入电源设计要求：输入电压的范围、期望得到的输出电压和输出电流。Webench会根据用户的设计要求自动替用户选择出几个仿真方案，其中包括选用的关键器件以及适用的电路拓扑。

在关键器件的推荐页面中，被认为最符合用户设计要求的器件显示在页面的顶部，这个关键器件可能是开关电源变换器，线性电源调节器或者开关电容变换器。用户可以激活推荐使用的关键器件，之后会马上得到相应的电路设计方案。

(二)创建设计方案

选择好关键器件之后，软件会自动创建一个设计，并且同时提供电路中需要的所有元件及最优化的工作值。在电路组成页面中，总结概述了设计要求和所选的芯片，列出了电路所需的所有元件列表以及相关参数，包括产商、封装、工作参数和价格。用户可以点击元件观察工作参数，例如脉宽调制频率、总输出功率、输入电压、输出电流等，还可以对整个电路进行稳态分析、电流和功耗分析。这些仿真结果是根据你所选择的电源参数计算的，并以此来评估电路性能。

Webench会给用户提供能满足设计要求的最优元件推荐，当然用户也可以在对比各个元件参数的差异之后自行选择合适的型号。如果想得到相关元件的更多参数信息，可以直接点击该元件查看，在没有合适元件的情况下，用户还可以根据自己的需要自行修改元件参数以满足设计要求。

(三)分析设计方案

用户可以使用Webench对完成的设计进行电子仿真。电路图以Flash的形式显示在用户的浏览器中。用户可以自行更改电路中元件的仿真参数和波形测试点，并且可以很方便的显示缩放电路图，或者通过隐藏控制键来获得更大的显示空间观察电路图。

在仿真过程中，点击任意一个元件，可以即时更改元件参数，以达到理想的设计要求。开始仿真15－90秒后可以得到完整的仿真结果。仿真完成后，用户可以通过波形观测仪观测相应测试点的电压电流波形。 Webench提供5种仿真类型供用户选择：波德图、稳态、输入瞬变、负载瞬变和电路启动测试。用户可以在波形观测仪上查看以前的仿真波形，也可同时查看多个仿真波形。

Webench还可利用专门的热仿真工具WebTHERM对许多方案进行热仿真，用户可以使用这个工具来模拟印刷电路板（PCB）的热反应。用户可以自定义环境条件，如环境温度、PCB板规格、气流和可选热层，来解决专门针对用户设计要求的热问题。WebTHERM随后会绘制出PCB彩图显示出元器件和电路板的温度仿真结果，使用户可以快速地在板上确定任何可能存在的过热区。由于WebTHERM热仿真运行较快(一般几分钟内就可以给出结果)，精度自然比不上耗费数小时的详尽CFD(计算流体动力)仿真结果。但是温度实际值误差一般在20℃以内，这个精度对于确定电路板或元器件的过热点、防止出现过热现象已经足够。

(四)完成最终方案

分析设计方案完成后，WEBENCH工具不但可以提供完整的文档包括BOM、原理图、设计规格和仿真结果等等，同时也为用户提供了可选的定制电源套件、标准的评估套件、示例或者用于采购的部件。

需要特别注意的是，虽然Webench在线工具有着强大的功能，但是实际的元器件可能并不精确匹配仿真结果，特别是考虑它们的寄生效应后，实际性能(包括电路板布局效果)会与仿真结果略有差别。Webench工具的关键目的是要确定期望值，并分析所有不同之处。而电路设计者应使用各种实验室工具，包括高速示波器、DVM、电流表，再加上自己的分析和思考，才能获得设计的最佳方案。