【導(dǎo)讀】在開關(guān)電源開發(fā)的復(fù)雜挑戰(zhàn)面前，單一工具往往力不從心。要高效實(shí)現(xiàn)從架構(gòu)規(guī)劃、電路仿真、元器件選型到布局優(yōu)化與性能驗(yàn)證的全流程，一套高效協(xié)同的現(xiàn)代工具鏈至關(guān)重要。本文將解析一系列專業(yè)工具如何形成系統(tǒng)性解決方案，它們通過提供關(guān)鍵洞察與自動(dòng)化輔助，賦能工程師在保證設(shè)計(jì)質(zhì)量的同時(shí)，顯著壓縮開發(fā)周期，應(yīng)對(duì)從提升能效到優(yōu)化熱管理的多重設(shè)計(jì)目標(biāo)。
摘要
在開關(guān)電源開發(fā)的復(fù)雜挑戰(zhàn)面前，單一工具往往力不從心。要高效實(shí)現(xiàn)從架構(gòu)規(guī)劃、電路仿真、元器件選型到布局優(yōu)化與性能驗(yàn)證的全流程，一套高效協(xié)同的現(xiàn)代工具鏈至關(guān)重要。本文將解析一系列專業(yè)工具如何形成系統(tǒng)性解決方案，它們通過提供關(guān)鍵洞察與自動(dòng)化輔助，賦能工程師在保證設(shè)計(jì)質(zhì)量的同時(shí)，顯著壓縮開發(fā)周期，應(yīng)對(duì)從提升能效到優(yōu)化熱管理的多重設(shè)計(jì)目標(biāo)。
引言
幾乎所有電子電路都需要電源。因此，大多數(shù)工程師必須設(shè)計(jì)電源解決方案來為電路供電。為了簡化這項(xiàng)任務(wù)，業(yè)界在長期實(shí)踐中開發(fā)出了一套功能完備的電源工具鏈。一般來說，可以將電源工具分為五類：電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具、電源計(jì)算工具、數(shù)字電源設(shè)置工具、電路仿真工具和硬件評(píng)估工具。它們各司其職，共同為硬件設(shè)計(jì)人員的工作帶來極大的便利。
電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具
系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具幫助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的電源架構(gòu)。大多數(shù)電子系統(tǒng)需要不止一個(gè)電源，通常需要五個(gè)或更多不同電源。借助ADI公司的LTpowerPlanner?工具，設(shè)計(jì)人員可以繪制出電路中所有不同電源轉(zhuǎn)換步驟的簡單框圖。這些步驟可以在易于使用的圖形用戶界面中進(jìn)行修改。每個(gè)電源模塊都可以設(shè)置預(yù)期的電源轉(zhuǎn)換效率，用戶只需點(diǎn)擊幾下鼠標(biāo)就能得到電源架構(gòu)的總效率。圖1顯示了這樣一個(gè)框圖的屏幕截圖，計(jì)算得出的總效率為86.3%。
這款工具能夠幫助用戶作出關(guān)于電源架構(gòu)的基礎(chǔ)決策。它通過選擇具有特定效率的DC-DC轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)可接受的總電源轉(zhuǎn)換效率。此外，它還能作出并記錄系統(tǒng)級(jí)決策，例如時(shí)序控制要求和能力。
圖1.使用LTpowerPlanner開發(fā)的電源架構(gòu)框圖
電源計(jì)算工具
利用LTpowerPlanner為特定應(yīng)用開發(fā)出合適的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，我們便要專注于特定的DC-DC轉(zhuǎn)換器，以設(shè)計(jì)和優(yōu)化電路。對(duì)于這一設(shè)計(jì)步驟，最佳的輔助工具是LTpowerCAD?。用戶可以從ADI網(wǎng)站免費(fèi)下載該工具，并將其安裝在本地計(jì)算機(jī)上。僅當(dāng)更新軟件或精確計(jì)算電感磁芯損耗時(shí)，才需要網(wǎng)絡(luò)連接。安裝并啟動(dòng)LTpowerCAD后，用戶就可以從參數(shù)搜索窗口中選擇現(xiàn)有電源轉(zhuǎn)換器IC。鍵入輸入電壓范圍、所需的輸出電壓和輸出電流以及其他具體要求（如電源良好引腳、頻率同步能力或數(shù)字接口）之后，該工具就會(huì)顯示合適元器件的列表。然后，用戶從列表中選擇一個(gè)解決方案，隨即會(huì)打開一個(gè)設(shè)計(jì)窗口，其中包含外部元件的建議值。接著，從來自多家供應(yīng)商的大量真實(shí)電感或電容元件中選擇所需的元件，然后利用這些元件完成優(yōu)化電路的所有計(jì)算，包括電路效率、穩(wěn)定性考慮以及電源轉(zhuǎn)換器輸入端或輸出端的額外濾波要求。
使用該工具時(shí)，如果選擇的元件值遠(yuǎn)低于或高于電路計(jì)算的建議值，則會(huì)顯示警告消息。
圖2顯示了LTpowerCAD中用于優(yōu)化設(shè)計(jì)的主窗口。黃色框顯示工具計(jì)算出的值，藍(lán)色框允許用戶輸入值。使用此工具設(shè)計(jì)開關(guān)電源電路非常簡單。
圖2.LTpowerCAD中用于選擇開關(guān)電源外部元件的選項(xiàng)卡
圖3顯示了LTpowerCAD中的一個(gè)獨(dú)特功能：電磁干擾(EMI)濾波器設(shè)計(jì)工具。用戶可在LTpowerCAD的主電路界面中訪問此工具，點(diǎn)擊后將打開一個(gè)專用濾波器設(shè)計(jì)器窗口。這個(gè)濾波器設(shè)計(jì)器非常適合用于確定電源是否需要特殊的輸入濾波器來滿足某些傳導(dǎo)EMI規(guī)范，例如CISPR 22/CISPR 32、CISPR 25或MIL-STD-461G輻射標(biāo)準(zhǔn)。它會(huì)繪制電源轉(zhuǎn)換器本身的輻射圖，并推薦適當(dāng)?shù)妮斎攵藶V波器，以將傳導(dǎo)輻射衰減到可接受的水平。除了這些主要任務(wù)之外，它還會(huì)繪制濾波器傳遞函數(shù)（濾波器衰減）和濾波器阻抗圖。適當(dāng)?shù)臑V波器阻抗對(duì)于確保DC-DC轉(zhuǎn)換器和濾波器的組合保持穩(wěn)定非常重要。
圖3.LTpowerCAD中的EMI濾波器設(shè)計(jì)工具，用于設(shè)計(jì)濾波器以減少電源輸入端的傳導(dǎo)輻射
數(shù)字電源設(shè)置工具
有些電源是數(shù)字型。當(dāng)然，1和0無法為負(fù)載供電。我們所說的數(shù)字電源是指電源穩(wěn)壓器IC內(nèi)的數(shù)字電路，用于控制電路參數(shù)、讀取有關(guān)電源活動(dòng)的信息（遙測(cè)）、在數(shù)字域中運(yùn)行完整的控制回路等。雖然需要付出更大的努力來快速準(zhǔn)確地將信號(hào)數(shù)字化，但也因此具備了以數(shù)字化方式調(diào)整控制回路的能力。
評(píng)估數(shù)字電源時(shí)，我們需要一個(gè)軟件工具來與電源通信，并對(duì)基于狀態(tài)機(jī)的器件進(jìn)行各種設(shè)置。為此，用戶可以下載免費(fèi)的LTpowerPlay?工具。它提供圖形用戶界面，能夠全面控制數(shù)字電源。通常，該軟件使用USB轉(zhuǎn)I2C (PMBus?)接口與硬件通信。圖4顯示了LTpowerPlay的主窗口，在其中可以選擇不同的設(shè)置，并輪詢和顯示電源信息。
LTpowerPlay數(shù)字電源工具可以在仿真模式下作為獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)行，即使未連接任何硬件也無妨。通過這種方式，用戶可以快速了解數(shù)字電源IC，而無需花時(shí)間閱讀冗長的數(shù)據(jù)手冊(cè)。
圖4.利用LTpowerPlay對(duì)數(shù)字電源集成電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)置
電路仿真工具
市面上有許多電路仿真工具，其中最受歡迎的一款仿真工具是LTspice?。它是一款完整的SPICE仿真器，具有直觀的原理圖輸入工具、符號(hào)生成器和波形查看器。它免費(fèi)使用，功能先進(jìn)，并針對(duì)開關(guān)電源仿真進(jìn)行了優(yōu)化。與一些SPICE仿真器相比，LTspice的開關(guān)電源仿真速度更快。此外，LTspice的新特性持續(xù)增加，運(yùn)行速度不斷提升。
電路仿真工具是對(duì)LTpowerCAD等電路計(jì)算工具的有效補(bǔ)充。在仿真工具中，用戶可以更靈活地修改電路、添加濾波器等電路部分，還可以將多個(gè)電源組合成一個(gè)大系統(tǒng)，檢查多個(gè)電源如何相互影響。
LTspice 17.1版引入了頻率響應(yīng)分析(FRA)，能夠快速、輕松地生成電源調(diào)節(jié)環(huán)路的波特圖。LTspice 24版添加了特殊FRA探針，支持繪制調(diào)節(jié)環(huán)路的部分傳遞函數(shù)圖。LTspice 24.1.8版引入了繪制奈奎斯特圖和標(biāo)準(zhǔn)波特圖的功能。圖5顯示了LTspice中一款隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器的電源管理電路原理圖。
除LTspice外，ADI公司還支持SIMPLIS?，并提供許多器件模型。用戶可以在OASIS環(huán)境中，從ADI網(wǎng)站免費(fèi)下載有限節(jié)點(diǎn)版本的SIMPLIS。SIMPLIS是一款分段線性系統(tǒng)仿真工具，它在仿真開關(guān)電源時(shí)速度極快。OASIS仿真環(huán)境則是包含SIMPLIS的離線模擬仿真器。
圖5.LTspice是一款非常流行的仿真工具，具備一些特殊功能，例如用于電源的新FRA功能
硬件評(píng)估工具
電路計(jì)算和仿真不僅有用，而且重要。然而，即使采用最先進(jìn)的電源管理開發(fā)工具鏈，仍然需要使用真實(shí)硬件構(gòu)建電路來進(jìn)行評(píng)估。借助上述工具充分準(zhǔn)備電路，可以縮短硬件評(píng)估時(shí)間，但仍需進(jìn)行實(shí)際的硬件搭建與檢查。為了減少實(shí)驗(yàn)評(píng)估所需時(shí)間，我們推出了一個(gè)名為LTpowerAnalyzer的新電源評(píng)估環(huán)境。它包含一套硬件，通過ADALM2000套件連接到PC。ADALM2000是一款袖珍示波器和信號(hào)發(fā)生器，能夠控制LTpowerAnalyzer。圖6顯示了連接到被測(cè)設(shè)計(jì)(DUT)開關(guān)電源板的LTpowerAnalyzer的設(shè)置。
圖6.LTpowerAnalyzer幫助進(jìn)行硬件評(píng)估
該硬件評(píng)估工具可以繪制電源的波特圖。它能夠?qū)Ω哌_(dá)100 A的負(fù)載瞬變進(jìn)行生命周期負(fù)載瞬變測(cè)試。它還能繪制電源的輸出阻抗圖，從而有助于判斷電源是否兼容復(fù)雜（電感或電容性）負(fù)載。
用戶可以從ADI網(wǎng)站以合理的價(jià)格購買LTpowerAnalyzer。它帶有非常直觀易用的LTpowerAnalyzer軟件。它甚至支持與LTpowerCAD對(duì)接，將波特圖計(jì)算結(jié)果與真實(shí)硬件測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。兩個(gè)圖形可以顯示在同一個(gè)繪圖窗格窗口中，便于將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況進(jìn)行比較。圖7屏幕截圖顯示了使用LTpowerAnalyzer軟件進(jìn)行的波特圖測(cè)量。
圖7.LTpowerAnalyzer軟件能夠輕松地對(duì)電源進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估
結(jié)語
得益于各種最新的電源工具，電源設(shè)計(jì)過程大為簡化，各個(gè)優(yōu)化步驟實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，相關(guān)信息也能以簡明直觀的形式在過程中呈現(xiàn)。關(guān)鍵決策不僅可由經(jīng)驗(yàn)豐富的電源管理專家作出，也可由負(fù)責(zé)為主電路開發(fā)電源的電路設(shè)計(jì)人員作出。而且令人驚喜的是，許多此類工具對(duì)用戶免費(fèi)提供，用戶無需任何資金投入就能輕松使用合適的工具開展工作。
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