資深電源工程師是如何進(jìn)行電源設(shè)計(jì)的？

電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展推動(dòng)了電源技術(shù)這一領(lǐng)域的飛速前進(jìn)，同時(shí)也給電源工程技術(shù)人員帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，小到家用電器，大到大型電力行業(yè)所用的儀器設(shè)備，無(wú)不需要電源來(lái)提供能源，這也更需要大量具有電源專業(yè)知識(shí)水平的工程師來(lái)完成設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。

而電源工程師主要是指從事開(kāi)關(guān)、通訊、設(shè)備等電源的設(shè)計(jì)與研發(fā)工作的相關(guān)人員。

那么，一個(gè)成熟的電源工程師是怎樣工作的呢？主要有十點(diǎn)：

一：符合電源設(shè)計(jì)要求，評(píng)估成本，定可行性方案。

二：根據(jù)客戶要求給出報(bào)價(jià)，給定大體的元件成本與生產(chǎn)成本，可行性電路。

三：構(gòu)想出原理圖，確定所選取的功率管，變壓器，最穩(wěn)定最簡(jiǎn)單生產(chǎn)又方便的原理方案。

四：根據(jù)原理圖，客戶給定的樣板要求或外殼要求設(shè)計(jì)PCB。

五：根據(jù)原理圖，裝配合適元件，對(duì)電器參數(shù)調(diào)整。讓本機(jī)在最低要求下能正常工作。

六：上負(fù)載測(cè)試，功率達(dá)80測(cè)式，檢查輸出波形，電壓要求，電磁性能，功率管溫度，電壓穩(wěn)定度，轉(zhuǎn)換效率。在這一個(gè)程中，對(duì)電子元件進(jìn)行合適的參數(shù)調(diào)整。

七：強(qiáng)化測(cè)試！也就是超負(fù)何，短路，低壓，過(guò)壓，強(qiáng)溫，防震等測(cè)試。

八：根據(jù)樣板確定原理圖準(zhǔn)確的參數(shù)，定好方位圖，物料圖，發(fā)給生產(chǎn)部，倉(cāng)管，跟單員，對(duì)樣板進(jìn)行小批量生產(chǎn)。

九：對(duì)樣板進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試，各種性能OK，由業(yè)務(wù)員發(fā)給客戶評(píng)估。OK了，可以量產(chǎn)。

十：以后生產(chǎn)對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行跟蹤，改良，以最短時(shí)間，最好質(zhì)量給客戶出貨。

其實(shí)，工程師所有參數(shù)是從經(jīng)驗(yàn)與調(diào)試中出來(lái)的。我們?cè)O(shè)計(jì)電源，對(duì)參數(shù)的計(jì)算95%是不要的。比如逆變器，1000W，可以用兩個(gè)55，因?yàn)槊總€(gè)都能達(dá)500，也可以用4個(gè)40，因?yàn)槊總€(gè)40可以達(dá)350W。變壓器，哪用算呢！不過(guò)要有經(jīng)驗(yàn)。

當(dāng)然你也可以參考完成的產(chǎn)品來(lái)定！線圈數(shù)，我們也要給驗(yàn)。電路參數(shù)，對(duì)于電子元件，就那幾個(gè)：電阻，電容，二極管，三極管，電感，熱敏，壓敏，場(chǎng)管，變壓器，保險(xiǎn)，集成電路等。

各個(gè)元件的組合，也就是我們的基本電路：放大，濾波，隔離，信號(hào)源，穩(wěn)壓，比較，電流放大，電壓放大等常駐用電路。當(dāng)然還要加上自己想出來(lái)的一些獨(dú)立電路！

所以，可以把電源板看成一個(gè)統(tǒng)一體，然后有所需用常用電路相拼。這樣就能得出一款好的產(chǎn)品。對(duì)于新產(chǎn)品，要用自己比較了解又有把握的電路！如不是，設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品，在生產(chǎn)上問(wèn)題就會(huì)非常多！

電源用通常理解的話說(shuō)：是一種可以為電子電器提供合適電壓，電流，波形與頻率的轉(zhuǎn)換裝置！比如：直流電源，可以理解為頻率為零，波形為直線的電源。交流電源，可以理解為電壓交替變換（正負(fù)在兩電極間轉(zhuǎn)換），有頻率，波形的電源！

不管哪一種電源，都可以用微分積分?jǐn)?shù)學(xué)把它在任一點(diǎn)時(shí)間內(nèi)的值求解，且有唯一解，比如：方波，是有無(wú)數(shù)量級(jí)的正弦波組成，因此，方波可以分解為奇次諧波與牛次諧波，我們一般取值3次諧波就可以滿足要求，占功率最大部分是基波。

由于現(xiàn)在的電源采用的變壓器基本上為高頻磁心，所以場(chǎng)效應(yīng)管就成為主要的功率器件！大家都明白，場(chǎng)效應(yīng)管是工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)的，所以以它作為功率管，電源輸出的都是脈沖方波，因此場(chǎng)效應(yīng)管為功率的電源都帶有很大份量的諧波與基波！

對(duì)于場(chǎng)效應(yīng)管為開(kāi)關(guān)功率管的電源，還要明白的就是：場(chǎng)效應(yīng)管所生產(chǎn)的損耗90%是在開(kāi)通至關(guān)斷的時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的，因?yàn)殚_(kāi)通與關(guān)斷時(shí)間內(nèi)都有一個(gè)很大的瞬間電阻！所以解決開(kāi)關(guān)電源問(wèn)題，其實(shí)主要的工作就是如何減小開(kāi)通，關(guān)斷損耗，對(duì)于諧波，可以通過(guò)濾波器來(lái)解決！

我們還有一點(diǎn)要明白的就是：場(chǎng)效應(yīng)管對(duì)瞬間變化的電壓很敏感，所以給它供電的電源必須電壓要穩(wěn)定！

最后要明白的就是：它的柵極電阻很大，一點(diǎn)點(diǎn)電壓就可以讓其開(kāi)通，基本上不要求有電流。所以場(chǎng)效應(yīng)管是一種電壓控制元件。

使用好場(chǎng)效應(yīng)管的注意事項(xiàng)：

1、供電電壓要穩(wěn)定。

2、控制好開(kāi)通，關(guān)斷損耗。

3、適當(dāng)降低柵極電阻，防止誤導(dǎo)通。

4、要有低通放電電路與速充電電路，因?yàn)閳?chǎng)管是柵極有電容，其電容充電要快，放電也要快！所以要用圖騰柱電路。

如何設(shè)計(jì)一款好電源：

第一：確定你的電源功率與輸入電壓。由電源功率選擇開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)電流，變壓器體積，輸入電壓確定開(kāi)關(guān)管的耐壓與變壓器輸入圈數(shù)。

第二 ：不管何種電壓，電源功率，用到場(chǎng)管都要有低通放電與速充電電路。

第三：變壓器要有吸收電路，把諧波吸收。

第四：場(chǎng)管柵極內(nèi)阻要用電阻接地拉低。

第五：要選擇合適的開(kāi)關(guān)頻率，保證靜太損耗最小的同時(shí)，場(chǎng)管轉(zhuǎn)換效率最高。

第六：對(duì)于輸入電壓超過(guò)75V時(shí)，要考濾諧振電路作為負(fù)助功能電路。

第七：功率過(guò)大時(shí)，要考濾PFC電路接入設(shè)計(jì)中。

第八：驅(qū)動(dòng)信號(hào)要穩(wěn)定！且要有5V以上。

不管是開(kāi)關(guān)電源，逆變電源，高頻設(shè)計(jì)成為主要的技術(shù)手段與主流！對(duì)于很多沒(méi)計(jì)過(guò)電源或是對(duì)電源設(shè)計(jì)還未達(dá)到項(xiàng)目開(kāi)發(fā)能力的人來(lái)說(shuō)，一想到設(shè)計(jì)，就會(huì)想到各種各樣的計(jì)算模式！這種想法是對(duì)的，但做法是錯(cuò)的！

真正的電源高手從來(lái)不去計(jì)算太多的。就算元件有1000個(gè)，也不會(huì)動(dòng)筆去算得太多！但出來(lái)的電源卻是效果超好。

再談一下電源設(shè)計(jì)工具

電源設(shè)計(jì)過(guò)程是一項(xiàng)極為艱難的工作，從對(duì)復(fù)雜電路的理解到尋求芯片經(jīng)銷商的幫助，沒(méi)有一件是輕松容易的事情。分享幾種主流的電源設(shè)計(jì)工具，利用現(xiàn)有的一些軟件和硬件工具，降低電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，將電源設(shè)計(jì)真正掌握在自己手中。

1、SIMetrix/SIMPLIS

SIMetrix/SIMPLIS美國(guó)Transim公司開(kāi)發(fā)的軟件包。它包含兩個(gè)仿真內(nèi)核－SIMetrix和SIMPLIS，共用一個(gè)原理圖編輯界面，界面簡(jiǎn)單，相對(duì)更容易掌握。其中SIMetrix是在SPICE和XSPICE基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的混合信號(hào)電路仿真器，它和其他SPICE類仿真軟件類似，可以精確分析電路元件工作的暫態(tài)過(guò)程。SIMPLIS是以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)的仿真內(nèi)核，它的元器件采用分段線性的建模方式，運(yùn)算效率很高，仿真速度是一般SPICE類仿真軟件的10到50倍。并可以直接進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源的小信號(hào)分析。適合于電源系統(tǒng)分析，設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

SIMetrix SPICE本質(zhì)上和PSpice等仿真軟件相似，此外還它還提供了豐富的分析模式，以AC分析為例，標(biāo)準(zhǔn)SPICE只能進(jìn)行頻率掃描，SIMetrix SPICE可以提供5種掃描模式。例如通過(guò)對(duì)固定頻率下的放大器直流輸入電壓掃描，查看輸入偏置及其增益的關(guān)系曲線，或進(jìn)行放大器源電阻噪聲掃描分析給出優(yōu)化值等等。同時(shí)可對(duì)電路做蒙特卡羅等分析，優(yōu)化電路性能。

SIMPLIS是“Simulation For Piecewise Linear System”首字母縮寫(xiě)詞。專門(mén)為開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的快速建模仿真而設(shè)計(jì)。SIMPLIS對(duì)非線性器件采用分段線性建模，將一個(gè)完整的系統(tǒng)定義為線性電路拓?fù)涞难h(huán)序列，以描述開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)中半導(dǎo)體器件的開(kāi)關(guān)特性。因此可以取得很高的速度，同樣硬件配置下，其仿真速度比SPICE類軟件快10到50倍，這一特點(diǎn)是SIMPLIS在工程應(yīng)用中尤其是電源行業(yè)里與其他仿真軟件競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)所在。其缺點(diǎn)在于分段線性模型沒(méi)有利用非線性方程描述的SPICE模型精確，因此在模擬實(shí)際電路波形方面，如開(kāi)關(guān)電流，電壓尖刺等開(kāi)關(guān)暫態(tài)過(guò)程可借助SIMetrix。

SIMPLIS具有兩種獨(dú)有的分析模式，POP（Period Operating Point）分析和AC分析。POP分析是一種快速確定開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)的算法。在這種分析模式下，電路無(wú)需進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間電路啟動(dòng)瞬態(tài)仿真，就可快速確定開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。它比通常意義上的瞬態(tài)仿真快100倍以上。大幅縮短了仿真時(shí)間。SIMPLIS另一個(gè)非常突出的特點(diǎn)是可直接對(duì)開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行小信號(hào)分析。我們知道傳統(tǒng)的靜態(tài)頻率掃描方法并不適用于開(kāi)關(guān)電路。

通常設(shè)計(jì)人員需要再次解析開(kāi)關(guān)電源的狀態(tài)方程建立平均模型，建模難度較大，要求工程設(shè)計(jì)人員具備較好的拓?fù)浞治龊涂刂评碚摶A(chǔ)。SIMPLIS的AC分析不需要獲得平均模型即可得到頻域響應(yīng)，它模擬真實(shí)硬件電路的掃頻測(cè)量方法。在創(chuàng)建好的原理圖中加入AC擾動(dòng)源即可進(jìn)行小信號(hào)分析。其分析過(guò)程可簡(jiǎn)單描述為首先開(kāi)始POP分析，計(jì)算出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，然后進(jìn)行小信號(hào)掃描，得出所需頻域曲線。

2、PI Expert Suite

PI Expert 是PI公司推出的一款用于單片開(kāi)關(guān)電源的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，也稱為PI Expert專家系統(tǒng)，目前的版本是9.0。它能根據(jù)設(shè)計(jì)人員的要求，在輸入了一系列技術(shù)指標(biāo)以后，自動(dòng)生成電路拓?fù)?、設(shè)計(jì)結(jié)果、材料清單、PCB布局、變壓器參數(shù)和結(jié)構(gòu)等。在1-5分鐘內(nèi)，就可以完成一款單片開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)工作。目前支持的單片IC有以下幾類：

TOPSwitch-GX PeakSwitch TinySwitch-II TinySwitch-III DPA-Switch

LinkSwitch-II PI Expert Suite 9.0。新版軟件現(xiàn)在增加了對(duì)其LinkSwitch-PL和LinkSwitch-PH LED驅(qū)動(dòng)器IC以及近期推出的TinySwitch-4離線式開(kāi)關(guān)IC產(chǎn)品系列的設(shè)計(jì)支持。V9.0還附帶一款增強(qiáng)的電路原理圖處理工具，借助這個(gè)工具，設(shè)計(jì)師可將自動(dòng)生成的電路原理布局圖所創(chuàng)建的最終BOM上傳至選定、可滿足設(shè)計(jì)需求的領(lǐng)先分銷商。

PI Expert：是自動(dòng)化的圖形用戶界面（GUI）程序，它可以根據(jù)用戶的電源規(guī)格參數(shù)，自動(dòng)生成圍繞Power Integrations某一IC產(chǎn)品系列的電源轉(zhuǎn)換方案。PI Expert可提供構(gòu)建和測(cè)試工作原型所需的所有必要信息。這些信息包括完整的交互式電路原理圖、物料清單（BOM）、電路板布局建議以及詳細(xì)的電氣參數(shù)表。PI Expert還可提供完整的變壓器設(shè)計(jì)，包括磁芯尺寸、線圈圈數(shù)、適當(dāng)?shù)木€材規(guī)格以及每個(gè)繞組所用的并繞線數(shù)。此外，還可生成詳細(xì)的繞組機(jī)械裝配說(shuō)明。該程序可以將設(shè)計(jì)時(shí)間從數(shù)天縮短至幾分鐘。

PI Xls Designer：PI Xls Designer是基于設(shè)計(jì)表格的應(yīng)用程序，能讓電源設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)過(guò)程中獲得更多的控制。同時(shí)，也提供包括詳細(xì)的繞組機(jī)械裝配說(shuō)明在內(nèi)的變壓器構(gòu)建支持。PI Xls Designer根據(jù)您提供的有關(guān)輸入、輸出以及其他所有必需的設(shè)計(jì)規(guī)格來(lái)執(zhí)行所有必要的計(jì)算，以設(shè)計(jì)和評(píng)估采用Power Integrations的IC的電源轉(zhuǎn)換方案。

3、webench

自從德州儀器于1999年推出 WEBENCH 網(wǎng)上設(shè)計(jì)工具后，設(shè)計(jì)工程人員便可在數(shù)分鐘內(nèi)于網(wǎng)上創(chuàng)建出可靠的電源供電電路，用戶只要輸入所要求的電路性能， WEBENCH 工具套件便可完成設(shè)計(jì)。今天，WEBENCH 設(shè)計(jì)工具可以在數(shù)秒間創(chuàng)建和展示出所有符合設(shè)計(jì)要求的可行方案，包括電源供應(yīng)器、照明系統(tǒng)和傳感電路等，讓用戶可在決定設(shè)計(jì)方案前，從系統(tǒng)和供應(yīng)鏈的角度比較來(lái)自不同設(shè)計(jì)的數(shù)值，而這種專業(yè)的分析工具在業(yè)內(nèi)可說(shuō)是唯一的。

所有這些設(shè)計(jì)工具都可通過(guò) WEBENCH Visualizer 接口提供出多個(gè)不同的完整系統(tǒng)選擇 （一目了然的數(shù)值比較?。?，而設(shè)計(jì)工程人員只需調(diào)校 WEBENCH 優(yōu)化旋鈕便可從大小、效率和系統(tǒng)成本的角度調(diào)整結(jié)果。。

WEBENCH 設(shè)計(jì)工具中的經(jīng)濟(jì)效益系統(tǒng)（Eco-System 是促成這種數(shù)值式比較的關(guān)鍵，當(dāng)中包含超過(guò) 110 個(gè)不同的組件供貨商和電子零件分銷商，該 Eco-System 可提供超過(guò) 21.000 款組件的電氣和物理特性，而且其網(wǎng)上價(jià)格和供貨數(shù)據(jù)可每小時(shí)更新。目前，WEBENCH 設(shè)計(jì)工具可支持簡(jiǎn)體中文、日文和英文三種語(yǔ)言。

采用 WEBENCH 設(shè)計(jì)工具，您只需進(jìn)行幾個(gè)步驟便可在數(shù)分鐘內(nèi)創(chuàng)建一個(gè)設(shè)計(jì)：

定義系統(tǒng)的性能要求，包括光輸出、傳感器精確度或電壓和電流；

選擇您偏愛(ài)的 FPGA、LED 或組件供貨商；

在可視熒幕上從大小、成本、效率和簡(jiǎn)易度檢討最后得出來(lái)的完整解決方案；

分析和調(diào)整最后得出來(lái)的拓?fù)浜徒M件供貨商；

打印項(xiàng)目或設(shè)計(jì)報(bào)告或訂購(gòu)短時(shí)間付運(yùn)的完整建模 （Build It） 套件；

今天決定設(shè)計(jì)，明天進(jìn)行組裝；

配合超過(guò)150萬(wàn)個(gè)成功設(shè)計(jì)，使 WEBENCH 設(shè)計(jì)工具的創(chuàng)意無(wú)限。

4、SwitcherPro

SwitcherPro 軟件為您提供電源設(shè)計(jì)的電路圖和布局建議。一旦您運(yùn)行了軟件，您便會(huì)注意到窗口左側(cè)的 EVM 設(shè)計(jì)選項(xiàng)。例如，您會(huì)在給出的列表中找到 TPS54331 EVM。

SwitcherPro 工具還為您提供了修改電路要求的機(jī)會(huì)，甚至可以修改示意圖中的組件。通過(guò)復(fù)制 EVM 設(shè)計(jì)，然后選擇編輯電路選項(xiàng)，便可以進(jìn)行修改。這樣一來(lái)，您就可以修改 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸入最小值和最大值，也可以修改輸出電壓和電流要求。軟件還具有一般分析、應(yīng)力分析、效率分析和回路分析功能，方便您評(píng)估電路。

為了完成設(shè)計(jì)，您需要返回到您的評(píng)估模塊，按照 SwitcherPro 的建議修改各項(xiàng)值，然后對(duì)您的新電路進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。最后，如果您是在線工作，便可以輕松地同其它人分享您的設(shè)計(jì)。

您現(xiàn)在一定可以說(shuō)：“我能自己進(jìn)行這種電源設(shè)計(jì)了”。電源設(shè)計(jì)自然也就在掌控之下！

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