本文的总结

在本文中，设计空间探索作为获得全集成开关电源转换器优化设计的主要工具进行了展示和解释。 转换器输出电压纹波用于限制设计空间，而要优化的品质因数定义为电源效率与占用硅面积的比值。 此外，还提出了设计空间探索的总体结构，包括对每个组件设计的特定优化。 然后，介绍了转换器集成组件（即电感器、电容器、功率驱动器和功率晶体管）的简化模型，以及考虑了输出电容器等效串联电阻 (ESR) 的分析输出纹波模型。 最后，通过经典降压转换器的设计来举例说明设计空间探索优化过程，其中使用了简化的组件模型。

主要概念及设计流程

在开关电源转换器设计的第一步（一旦确定了所需的拓扑结构），有许多问题和决策需要回答，涉及输入和输出电压范围、输出电流、开关频率、电抗元件值（主要是电感器和电容器） )、变压器输入输出电压比（如果设计有要求），甚至一些动态性能参数，如带宽等。 如果考虑采用不同的技术选项来实现电源开关及其相应的驱动器，那么设计选项可能会变得难以应付。

为了开发适当的设计程序，将设计变量或参数分类为不同的类别以确定它们对设计特性或性能的影响是很有趣的。 以电源设计为例，本文提出了一组需要关注的设计参数，包括：

应用参数。 那些完全由应用需求定义的参数，如输入和输出电压范围、输出电流能力和输出电压纹波。 通常，应用参数在设计空间中表现为硬约束。 此外，还可以定义其他不太常规的参数或约束：辐射干扰频谱、最大输入电流等。 .

静态设计变量。 常规设计变量，例如电感和电容值，或变压器的电压转换比。 我们称它们为“静态”，因为尽管它们在设计阶段提供了自由度，但一旦设计实施，它们就会变得固定。

动态设计变量。 传统开关电源转换器设计中出现的主要动态设计变量是开关频率，因为尽管它可以在设计阶段确定，但一旦实现转换器，它就会提供额外的自由度，从而更好地适应 应用参数的更改。

性能因子。 一旦满足或完成应用参数，此类别包括指示电源转换器质量的那些因素。 最常见的性能因素是功率转换中的能效、输出响应与控制信号的带宽、体积和面积占用及其重量。 它们可以表现为软约束，因为它们可能不会使设计无效，尽管最大化或最小化它们可能很有趣。 事实上，根据应用，它们可以全部或部分定义为应用参数（例如在需要满足最低功率效率或允许最大重量的情况下）。

技术信息。 这是指与转换器组件的物理实现相关的信息，特别是在电源开关及其相应驱动器的情况下。 尽管一阶方法设计不需要有关用于实现任何组件的技术的详细信息，但需要有关非理想性和寄生性的信息以考虑某些性能因子（例如能效）。

表 1 总结了之前的分类。 在这种情况下，仅示出与集成开关转换器的情况特别相关的那些变量。

表1 本文中使用的设计变量和参数分类

显然，如果考虑非传统设计，例如多转换比变压器、可变电容器等，类别及其包含的内容可能会发生变化。 .

从前面的分类中推导出一个设计程序，如下所述。

1.首先，考虑到应用参数，选择了一些变换器拓扑结构以符合规范，并获得了相应的电压和电流所需的理想解析表达式。 在此设计步骤中，系统级仿真可用于确认所选拓扑（考虑多个拓扑可能很有趣，以便之后从性能因子评估中选择最佳拓扑）适合应用参数。

2. 然后，通过理想表达式或模型确定影响设计的设计变量（静态和动态），并且可以评估一些性能因子（即最大电感电流）。 在这一点上，转换器拓扑选项应该缩小到适合应用的几个； 一些设计变量的值范围应该通过检查一些应用参数的实现（例如最大输出电压纹波）来部分界定。 电源开关被认为是理想的，不考虑寄生元件或非理想性。

3. 以下设计步骤意味着模型复杂性的进一步增加。 有必要决定开关电源转换器不同组件的技术实现。 在集成单片转换器的情况下，这需要选择用于制造设计的微电子工艺。 代工厂提供有关在选定工艺中植入什么是可行或不可行的信息，以及导致寄生特性的组件的详细模型。 添加所有这些信息会显着增加转换器模型的复杂性，并且电路级仿真成为基础（尽管复杂的系统级仿真仍然很有趣）。 该设计阶段的结果是对能源效率和体积（或面积）占用等性能因素的评估，这将导致优化设计。

应该注意的是，这种设计过程的步骤 2 和 3 应该针对任何不同的所选拓扑执行，以选择提供最佳性能因素的拓扑。 此外，尽管应用参数已完成，但性能因素的评估可能会导致质量或性能太差，以至于必须从初始点考虑另一种拓扑或设计（图 1 总结了整个过程） 上面有解释）。

图 1 建议的设计过程。 通过设计空间探索获得优化设计

因此，一旦确定了设计变量并且它们相应的取值范围受到应用参数标准的约束，就应该探索设计变量值的任何组合来评估所选的性能因素。 为了简单起见，可以将所有性能因素加入一个指标定义中，以获得导致数学最大化的单个指标，以获得所需的优化设计。 在下文中，提供了适用于数学最大化的代表性品质因数定义：

其中 A 和 B 是要最大化的性能因素，而 C 和 D 应该最小化。 小写指数（a、b、c 和 d）是分配给指标定义中每个性能因子的相应权重。 探索所有设计变量的取值集合，寻找优化设计，就是我们所说的设计空间探索。 从数学的角度来看，约束设计空间探索（和相应的优化）可以描述如下：

使用以下定义：

一般来说，主函数fo(x)和约束函数fi(x)都是非线性的（甚至是非连续函数），这就排除了通过分析程序进行优化设计的可能性。

需要注意的是，在包含技术信息的情况下，每个转换器组件的设计都与其非理想性有关，例如其等效串联电阻（以下为 ESR）、寄生电容、占用的面积。 因此，考虑到每个组件设计中可能出现的变量，组成整个转换器的几个组件的特定设计应该被优化以改善其能量损耗或面积。 事实上，这是开关电源转换器的微电子集成提供的最强点之一：任何组件都可以针对任何转换器设计进行特别优化，（由设计人员自己），而不是已经由第三方制造商实施（ 图 2)。

图2、通过组件特定优化和相应的性能因子评估的设计空间探索

由于采用单片集成，设计中要评估的性能因素之一是芯片占用面积，因为它与系统的制造成本直接相关（在微电子学中，芯片的成本与 硅的使用面积）。 另一个要评估的最重要的性能因素是电源转换中的能效，因为它是集成这种电源转换器的主要原因，而在标准 CMOS 技术的情况下，这种高效率并不能保证，因为这些过程 还没有被设想为电源管理应用程序。 要考虑的二阶性能因素是最大电感器电流，以降低转换器组件的电应力。 显然，虽然能量效率应该最大化，但占用的硅面积和最大电感器电流需要最小化。