TI WEBENCH：讓充滿挑戰(zhàn)的模擬設(shè)計變得簡單

不管是消費電子、醫(yī)療電子、汽車電子，還是工業(yè)電子，模擬應(yīng)用無處不在。而相對于數(shù)字設(shè)計來說，模擬設(shè)計異常復(fù)雜，常常使模擬工程師焦頭爛額，無從下手。即便是設(shè)計好了原理圖，也需要調(diào)整參數(shù)，反復(fù)驗證，因此模擬工程師的工作時間大部分是在反復(fù)調(diào)試、反復(fù)驗證中度過的。怎樣讓模擬工程師快速找到最優(yōu)設(shè)計方案？模擬仿真工具成為首選，眾多模擬仿真工具中 TI WEBENCH 是大家比較熟悉的一種，17 年來一直被優(yōu)化、完善，功能越來越強(qiáng)大。

目前 WEBENCH 包含 6 種設(shè)計工具，包括：電源設(shè)計工具、LED 設(shè)計工具、傳感器設(shè)計工具、有源濾波器設(shè)計工具、時鐘構(gòu)架和接口設(shè)計工具。德州儀器 WEBENCH 設(shè)計中心總監(jiān) Jeff Perry 強(qiáng)調(diào)，“在 2014 年之前，WEBENCH 主要面向初級設(shè)計師，工程師可以利用 WEBENCH 工具在線上迅速完成他們想要的設(shè)計。從 2016 年開始，WEBENCH 能為高級用戶提供幫助，所以現(xiàn)在 WEBENCH 工具既能為初級設(shè)計師，也能為高級設(shè)計師節(jié)約設(shè)計時間?！?/p>

德州儀器 WEBENCH 設(shè)計中心總監(jiān) Jeff Perry

WEBENCH 工具是怎樣工作的？這是工程師最關(guān)注的問題。Jeff Perry 介紹，“它擁有很多半導(dǎo)體原型，包括效率和其它特性的運(yùn)行數(shù)據(jù)。WEBENCH Designs 擁有超過 2,000 種的電源模型部件，以及超過 6,000 種運(yùn)行的放大器模型。WEBENCH 可視化工具可以進(jìn)行個性化設(shè)計，能同時平行地進(jìn)行成百上千的設(shè)計，這樣用戶能夠根據(jù)自己的需求進(jìn)行匹配選擇。最后，WEBENCH 的結(jié)構(gòu)設(shè)計工具可以幫助用戶設(shè)計完整的電源結(jié)構(gòu)。”

設(shè)計優(yōu)化：效率和尺寸折中取最優(yōu)

WEBENCH 優(yōu)化器

模擬設(shè)計往往需要在高效率和小尺寸之間做出妥協(xié)，而 WEBENCH 工具也遵循了這樣的規(guī)律，如圖所示，把優(yōu)化器的指針指向中間，得到的尺寸是中間尺寸，效率處于折中效率，圖表顯示的是中等發(fā)熱的溫度。優(yōu)化器選擇最高效率值 95%，尺寸隨之變大，效率也提高，但熱仿真溫度低。舉個極端的例子，如果選擇最小尺寸，效率也隨之降低，則板卡溫升非常高。所以，任何設(shè)計都是折中的設(shè)計，兼顧尺寸和效率才能符合實際的設(shè)計原則。用戶會發(fā)現(xiàn)，平常需要花費大量的時間尋找尺寸和效率的平衡點，而在 WEBENCH 工具中，只需要花費幾秒鐘就能實現(xiàn)。

仿真和模型保持高度一致

在仿真過程中，仿真模型非常重要，必須非常準(zhǔn)確才能有助于用戶設(shè)計原型。而好壞模型間最大的區(qū)別是最終結(jié)果準(zhǔn)確與否。以效率為例，紅色的線是模型曲線，藍(lán)色的線是實際測試板測試出的曲線，圖中可以看出這兩個曲線相差非常小。左上圖的這條曲線實際是一條側(cè)相位和增益的曲線，決定整個電源產(chǎn)品工作的穩(wěn)定性，“可以看到 WEBENCH 和模型一致性高，所以使用 TI 模型做仿真可信度高?！?Jeff Perry 指出，“正是由于性能良好，近幾年在 WEBENCH 在中國的用戶量大量增長，目前占全球 19%的市場份額?！?/p>

PCB 輸出：可以導(dǎo)出 5 種不同設(shè)計工具格式的原理圖

現(xiàn)在，用戶可以利用 PCB 模型將元件設(shè)計得更加緊湊，如將元器件移到一起，以減小整個 PCB 板卡面積，或者把整張板子與其它板子交換。如果用戶把所有元件都擠到一起，板子面積會變小，但是板卡溫度會變得非常高。因此另外一個解決辦法就是在 PCB 的正面和背面加入更厚的涂層，讓 PCB 溫度降低。

對于 PCB 輸出，用戶可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行更改，得到的是使用 WEBENCH 工具最終生成的一張原理圖，而且最多可得到五種不同設(shè)計工具格式的原理圖。Jeff Perry 表示，“模擬 PCB 設(shè)計非常具有挑戰(zhàn)性，因為噪音和耦合的設(shè)計會使 PCB 的設(shè)計變得復(fù)雜。因此用戶可以利用 CAD 工具導(dǎo)出來得到最終想要的 PCB，從而節(jié)省時間?！?/p>

AC/DC 設(shè)計工具：更加方便簡潔
在整個設(shè)計里，由于變壓器通常是定制品，所以變壓器設(shè)計是最復(fù)雜的，把變壓器拿出來即可得到整個變壓器的重新設(shè)計。因此 WEBENCH 可為用戶提供定制化的設(shè)計，包括核心和底層的設(shè)計，以及提供的機(jī)械等數(shù)據(jù)表給生產(chǎn)商以實現(xiàn)最終的設(shè)計。

電源樹系統(tǒng)的測序

Jeff Perry 解釋，“電源架構(gòu)設(shè)計可以產(chǎn)生整個電源樹，大多時候，對于 FPGA 和處理器設(shè)計來說，用戶會先需要其它部件的負(fù)載。比如： FPGA 有不同的負(fù)載要求，負(fù)載 1 最先啟動，其次是負(fù)載 2，最后是負(fù)載 3，因此有一些負(fù)載會先于其它負(fù)載啟動。WEBENCH 的電源樹有四種負(fù)載，而這些負(fù)載有一定的順序，利用第一個負(fù)載，第二個負(fù)載，第三個負(fù)載，和第四個負(fù)載，而這就是 FPGA 設(shè)計存在的問題，而 WEBENCH 用一個專門的時序控制器來控制整個過程，使設(shè)計更加簡單。Sequence (順序)會有相應(yīng)的 enabler 控制腳來控制三路的電源順序。我們還可以使用負(fù)載開關(guān)方式，會簡化設(shè)計，降低成本。”

放大器設(shè)計工具：模型庫強(qiáng)大
很多信號鏈的設(shè)計需要使用運(yùn)算放大器的設(shè)計，但運(yùn)算放大器設(shè)計和電源設(shè)計不同，運(yùn)算放大器設(shè)計類型很多設(shè)計不明確，而電源的設(shè)計方式是明確的。為了幫助用戶快速完成設(shè)計，TI 在 WEBENCH 中添加了放大器設(shè)計工具。Jeff Perry 以運(yùn)算放大器為例做了演示，用于設(shè)計放大增益以及頻率。如圖所示，以設(shè)計為例，輸入是藍(lán)色，輸出是紅色，可以算出增益量，這些曲線可以顯示環(huán)路響應(yīng)的特性以及直流的特性?！癟I 具有強(qiáng)大的仿真模型，用戶在使用時可以從模型庫里獲得想要的設(shè)計電路?！?Jeff Perry 強(qiáng)調(diào)，“WEBENCH 支持包括仿真、仿真導(dǎo)出，PDF 報告生成和設(shè)計共享等功能，設(shè)計選項卡允許圖形性能分析，性能值計算以及材料清單等選擇，波形分析允許交流波、正弦波和方波的刺激?！?/p>

WEBENCH 放大器設(shè)計工具 - 仿真

模擬芯片設(shè)計應(yīng)用無處不在，其復(fù)雜度也給工程師帶來不小的困惑，而 WEBENCH 工具正好可以幫助設(shè)計人員快速得到想要的設(shè)計。Jeff Perry 介紹，“TI 的 WEBENCH 工具還會繼續(xù)添加更多的仿真功能，并且 TI 有一個很大的團(tuán)隊在支持 WEBENCH 的開發(fā)，使其可以幫助客戶節(jié)省更多開發(fā)時間。”

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