如何快速高效的實(shí)現(xiàn)電源設(shè)計(jì)？

電源設(shè)計(jì)通常很復(fù)雜，特別是因?yàn)樗鼈兺ǔＰ枰鄠€(gè)輸出電壓軌。但是，即使對(duì)于經(jīng)驗(yàn)不足的設(shè)計(jì)人員，使用當(dāng)前可用的設(shè)計(jì)工具也可以使開發(fā)變得更快、更容易。在本文中，工程師介紹了如何通過一些工具來設(shè)計(jì)電源。

實(shí)現(xiàn)電源的最佳設(shè)計(jì)很重要，但也很復(fù)雜。沒有單一的典型應(yīng)用，而大多數(shù)系統(tǒng)需要多個(gè)直流電源軌。盡管還無法實(shí)現(xiàn)電源設(shè)計(jì)的全面自動(dòng)化，但新手和專業(yè)電源設(shè)計(jì)人員都可以從半自動(dòng)化設(shè)計(jì)工具的可用性中受益。

步驟一：創(chuàng)建電源架構(gòu)

此步驟首先開發(fā)目標(biāo)電源的簡單框圖，顯示輸入電壓，以及所需的輸出電壓軌及其值。一般而言，經(jīng)典的降壓開關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器對(duì)于從（例如）24V轉(zhuǎn)換為5V很有意義，但是3.3V或其他較低電壓軌應(yīng)該直接從24V輸入產(chǎn)生，還是應(yīng)該從5V轉(zhuǎn)換器輸出？

這個(gè)決定很重要，因?yàn)樗鼤?huì)影響設(shè)計(jì)的效率——這一直是當(dāng)今電源的一個(gè)重要考慮因素。然而，這并不明顯；使用中間轉(zhuǎn)換器會(huì)增加逆變器對(duì)供應(yīng)鏈的低效率，但替代方案——可以直接處理更寬輸入到輸出電壓的電壓轉(zhuǎn)換器，這通常更昂貴，效率也會(huì)降低。

一種可用的解決方案包括LTpowerPlanner，它是其LTpowerCAD開發(fā)環(huán)境的一部分。該工具可以解決此類問題，同時(shí)可以快速輕松地評(píng)估不同的架構(gòu)。它可以創(chuàng)建一個(gè)電源架構(gòu)，允許可用能量、輸入電壓、最大輸入電流以及要生成的電壓和電流。其他考慮因素包括尺寸、財(cái)務(wù)預(yù)算、散熱、EMC要求（包括傳導(dǎo)和輻射行為）、預(yù)期負(fù)載瞬變、電源電壓變化和安全性。該工具還允許設(shè)計(jì)人員快速適應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的后期更改；例如，需要更多功率的重新編程的FPGA。

步驟二：為每個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器選擇集成電路

今天的電源設(shè)計(jì)使用集成電路而不是多個(gè)分立元件。然而，市場上提供了許多不同的開關(guān)穩(wěn)壓器IC和線性穩(wěn)壓器，所有這些都針對(duì)一種特定屬性進(jìn)行了優(yōu)化。因此，除非使用像LTpowerCAD這樣的工具來處理所需的重新計(jì)算，否則在初始設(shè)計(jì)后更改設(shè)備可能具有挑戰(zhàn)性。

LTpowerCAD還允許對(duì)其集成電路數(shù)據(jù)庫進(jìn)行參數(shù)搜索，并根據(jù)輸入電壓、輸出電壓和所需負(fù)載電流等輸入標(biāo)準(zhǔn)提供選擇。還可以指定其他功能，例如“啟用”引腳或電流隔離。

步驟三：圍繞各個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計(jì)

一旦選擇了轉(zhuǎn)換器IC，就可以通過選擇合適的外部無源元件來構(gòu)建和優(yōu)化電源電路。使用LTpowerCAD設(shè)計(jì)工具可以大大簡化所需的分析和計(jì)算。該工具可以根據(jù)輸入的規(guī)格推薦外部組件，從而優(yōu)化轉(zhuǎn)換效率。它還計(jì)算控制環(huán)傳遞函數(shù)，從而簡化最佳控制帶寬和穩(wěn)定性的實(shí)現(xiàn)。

在LTpowerCAD中執(zhí)行的穩(wěn)定性計(jì)算是其架構(gòu)的一大亮點(diǎn)。在頻域中執(zhí)行的計(jì)算比時(shí)域模擬快得多。因此，可以在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上更改參數(shù)，并在幾秒鐘內(nèi)提供更新的波特圖。

在時(shí)域中運(yùn)行模擬需要幾分鐘甚至幾小時(shí)。此外，可以在所有工作模式下確保穩(wěn)定的電路響應(yīng)以及非常好的輸出電壓直流精度。

此后，該工具可以可靠地模擬真實(shí)電路的行為，因?yàn)橛?jì)算基于外部組件的詳細(xì)模型，而不僅僅是理想值。例如，考慮了電容器的等效串聯(lián)電阻（ESR）和線圈的磁芯損耗。

某些設(shè)計(jì)可能需要額外的轉(zhuǎn)換器輸入和輸出濾波器。必須選擇濾波器組件以確保可接受的電壓輸出紋波，而輸入濾波器必須將傳導(dǎo)輻射保持在指定的EMC限制以下。此外，濾波器和開關(guān)穩(wěn)壓器之間的相互作用絕不能導(dǎo)致不穩(wěn)定。

步驟四：在時(shí)域中仿真整個(gè)電路

一旦電路設(shè)計(jì)完成，就可以使用類似ADI公司的LTSpice之類的工具在時(shí)域中仿真整個(gè)電源，該工具基于加州大學(xué)伯克利分校的SPICE程序。根據(jù)時(shí)間檢查各個(gè)信號(hào)。還可以在印刷電路板上測試不同電路的相互作用。此外，可以將寄生效應(yīng)集成到仿真中。這使得仿真結(jié)果非常準(zhǔn)確，但仿真時(shí)間較長。

第五步：測試硬件

雖然自動(dòng)化工具對(duì)于電源設(shè)計(jì)很有價(jià)值，但硬件測試仍然必不可少。轉(zhuǎn)換器使用具有非常高開關(guān)速率的電流。由于電路的寄生效應(yīng)，尤其是來自印刷電路板（PCB）布局，這些開關(guān)電流會(huì)導(dǎo)致電壓偏移，從而產(chǎn)生輻射。

但是，支持創(chuàng)建最佳PCB布局。開關(guān)穩(wěn)壓器IC的數(shù)據(jù)表通常提供參考設(shè)計(jì)的信息。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用程序，可以使用這種建議的布局。

測試硬件達(dá)到其預(yù)期的溫度限制也很重要。雖然可以模擬由溫度相關(guān)的元件值變化引起的溫度效應(yīng)，但模擬結(jié)果僅與指定參數(shù)一樣好。因此，通常希望通過物理測試來評(píng)估硬件。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的后期階段，硬件必須通過電磁干擾和兼容性（EMI和EMC）測試。雖然這些測試必須使用真實(shí)硬件通過，但模擬和計(jì)算工具在收集見解方面非常有用。由于EMC測試成本高且耗時(shí)，因此在早期設(shè)計(jì)階段使用LTspice或LTpowerCAD等軟件有助于在測試前獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果，從而加快整體電源設(shè)計(jì)過程并降低成本。