作者：Frederik Dostal，ADI 公司電源管理高級現(xiàn)場應(yīng)用工程師

簡介

由于沒有典型的應(yīng)用，設(shè)計正確的電源既重要又復(fù)雜。雖然尚未完全實現(xiàn)電源設(shè)計的自動化，但目前已存在一系列半自動化工具。本文通過電源設(shè)計過程的五個關(guān)鍵步驟詳細(xì)介紹如何使用半自動化設(shè)計工具。這些工具對于電源設(shè)計工程師新手和專家都很有價值。

電源設(shè)計第1步：創(chuàng)建電源架構(gòu)

創(chuàng)建合適的電源架構(gòu)是電源設(shè)計的決定性步驟。此步驟通過增加所需電壓軌的數(shù)量而變得更加復(fù)雜。此時決定是否需要創(chuàng)建中間電路電壓以及創(chuàng)建多少。圖1所示為電源的典型方框圖。左側(cè)顯示工業(yè)應(yīng)用的24 V電源電壓。此電壓現(xiàn)在必須轉(zhuǎn)換為5 V、3.3 V、1.8 V、1.2 V和0.9 V，并提供相應(yīng)的電流。生成單個電壓的最佳方法是什么？要從24 V轉(zhuǎn)換為5 V，最好選擇經(jīng)典的降壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器。但是，如何生成其他電壓呢？從已創(chuàng)建的5 V生成3.3 V合理嗎，或者我們是否應(yīng)直接從24 V轉(zhuǎn)換為3.3 V？回答這些問題需要進(jìn)一步分析。由于電源的一個重要特性是轉(zhuǎn)換效率，在選擇架構(gòu)時盡可能保持高效率非常重要。

圖1.創(chuàng)建電源架構(gòu)

如果中間電壓（如圖1示例中的5 V）用于生成其他電壓，則用于3.3 V的電能必須已經(jīng)通過了兩個轉(zhuǎn)換級。每個轉(zhuǎn)換級都只能實現(xiàn)有限的效率。例如，假設(shè)每個轉(zhuǎn)換級的轉(zhuǎn)換效率為90%，則已通過兩個轉(zhuǎn)換級的3.3 V電能的效率僅為81% （0.9 × 0.9 = 0.81）。系統(tǒng)能否承受這樣低的效率？這取決于該3.3 V供電軌所需的電流。如果只需要幾mA的電流，則效率低可能根本不是問題。但是，對于更高的電流，這種較低的效率可能對整體系統(tǒng)效率的影響更大，因此是一個很大的劣勢。

然而，從上述考慮來看，并不能由此得出結(jié)論：直接一步從較高的電源電壓轉(zhuǎn)換為較低的輸出電壓始終更好。可處理較高輸入電壓的電壓轉(zhuǎn)換器通常更昂貴，當(dāng)輸入電壓和輸出電壓之間的壓差很大時，效率也會降低。

在電源設(shè)計中，可以使用LTpowerPlanner?等架構(gòu)工具來尋找最佳架構(gòu)。此工具可從ADI公司免費獲取，它屬于LTpowerCAD?開發(fā)環(huán)境的一部分，可以安裝在您的計算機(jī)上。利用LTpowerPlanner工具，可快速輕松地評估不同的電源架構(gòu)。

確定最終規(guī)格

確定最終規(guī)格在電源設(shè)計中極其重要。所有其他開發(fā)步驟都取決于這個規(guī)格。通常，在電子系統(tǒng)的其余部分設(shè)計完成之前，電源的精度要求是未知的。這通常會給電源設(shè)計開發(fā)又增加了一層時間限制。規(guī)格在開發(fā)階段后期也經(jīng)常會發(fā)生改變。例如，如果在最終編程設(shè)計時發(fā)現(xiàn)FPGA需要額外的功率，則必須降低DSP的電壓以節(jié)省能量，或者必須避免原定的1 MHz開關(guān)頻率，因為它會耦合到信號路徑中。這種更改會對架構(gòu)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的影響，特別是對電源電路設(shè)計。

規(guī)格通常在早期階段采用。此規(guī)格應(yīng)設(shè)計得盡可能靈活，這樣更改起來會相對容易。在這一方面，選擇多功能集成電路很有幫助，使用開發(fā)工具尤其有用。這樣可以在短時間內(nèi)重新計算電源。通過這種方式，可更輕松，最重要的是可更快速地完成規(guī)格更改。

規(guī)格包括可用能源、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)載瞬態(tài)、電源電壓變化和安全性。

LTpowerPlanner作為優(yōu)化輔助工具

LTpowerPlanner提供創(chuàng)建電源系統(tǒng)架構(gòu)所需的所有必要功能。它操作非常簡單，因此可以快速進(jìn)行概念開發(fā)。

先定義輸入能源，再添加單個負(fù)載或用電設(shè)備。然后添加單個DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊。可以是開關(guān)穩(wěn)壓器或低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器。所有組件均可指定自己的名稱。存儲預(yù)期轉(zhuǎn)換效率用于計算整體效率。

使用LTpowerPlanner有兩大優(yōu)勢。首先，通過簡單的架構(gòu)計算，可以確定對整體效率有利的各個轉(zhuǎn)換級的配置。圖2所示為相同電壓軌的兩個不同架構(gòu)。底部架構(gòu)的整體效率略高于頂部架構(gòu)。不進(jìn)行詳細(xì)計算的話，這一點并不明顯。而使用LTpowerPlanner時，立即會顯現(xiàn)這種差異。

LTpowerPlanner的第二個優(yōu)勢是提供條理清晰的文檔。圖形用戶界面可提供清晰的架構(gòu)草圖，這一可視化工具在與同事討論和記錄開發(fā)工作時會非常有用。文檔可以存儲為紙質(zhì)拷貝或數(shù)字文件。

圖2.兩個均具有效率計算功能的競爭架構(gòu)

電源設(shè)計第2步：為每個DC-DC轉(zhuǎn)換器選擇集成電路

如今在設(shè)計電源時，都使用集成電路而非具有很多獨立組件的分立電路。市場上有許多不同的開關(guān)穩(wěn)壓器IC和線性穩(wěn)壓器。它們都針對某一種特定的特性進(jìn)行優(yōu)化。有趣的是，所有集成電路都各不相同，并且只有在極少數(shù)情況下才可以互換。因此，選擇集成電路是非常重要的一步。一旦選定了集成電路，在后續(xù)設(shè)計過程中，該電路的特性固定不變。如果后面發(fā)現(xiàn)其他IC更適合，則需要重新開始整合新的IC。這種開發(fā)工作可能非常耗時，但使用設(shè)計工具可以減輕一些工作量。

使用工具對于有效選擇集成電路至關(guān)重要。在analog.com上進(jìn)行參數(shù)搜索就可以使用這種工具。在LTpowerCAD中搜索組件的效率甚至更高。圖3所示為搜索窗口。

要使用此搜索工具，只需輸入一些規(guī)格。例如，可輸入輸入電壓、輸出電壓和所需的負(fù)載電流。根據(jù)這些規(guī)格，LTpowerCAD生成建議解決方案列表。輸入額外條件可進(jìn)一步縮小搜索范圍。例如，在“Optional Features”類別中，可從使能引腳或電氣隔離等特性中進(jìn)行選擇，查找合適的DC-DC轉(zhuǎn)換器。

圖3.使用LTpowerCAD搜索合適的開關(guān)穩(wěn)壓器IC

圖4.LTpowerCAD電源計算工具

電源設(shè)計第3步：單個DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計

第3步是電路設(shè)計。需要為所選的開關(guān)穩(wěn)壓器IC選擇外部無源元件。在此步驟中對電路進(jìn)行優(yōu)化。這通常需要仔細(xì)研究數(shù)據(jù)手冊，并進(jìn)行所有必需的計算。使用綜合設(shè)計工具LTpowerCAD可極大地簡化電源設(shè)計的這一步驟，并可進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)果。

LTpowerCAD作為強(qiáng)大的計算工具

LTpowerCAD由ADI公司開發(fā)，旨在簡化電路設(shè)計。它不是仿真工具，而是計算工具。它可以根據(jù)輸入的規(guī)格，在很短的時間內(nèi)提供有關(guān)優(yōu)化的外部元件的建議。可優(yōu)化轉(zhuǎn)換效率。也可計算控制環(huán)路的傳遞函數(shù)。這有助于輕松地有效控制帶寬和穩(wěn)定性。

在LTpowerCAD中打開開關(guān)穩(wěn)壓器IC后，主屏幕將會顯示具有所有必需外部元件的典型電路。圖4顯示了以LTC3310S 為例的主屏幕。 此降壓開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電流高達(dá)10 A，開關(guān)頻率高達(dá)5 MHz。

屏幕上的黃色字段顯示計算值或指定值。用戶可使用藍(lán)色字段配置設(shè)置。

選擇外部元件

LTpowerCAD基于詳細(xì)的外部元件模型，而不只是理想值計算，因此能夠可靠地仿真實際電路的行為。Ltpower包括一個大型數(shù)據(jù)庫，其中包含多個制造商的集成電路模型。例如，電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）和線圈的磁芯損耗都會考慮在內(nèi)。要選擇外部元件，可點擊圖4所示的藍(lán)色外部元件。將打開一個新窗口，顯示一長串可能適用的元件。例如，圖5所示為推薦的輸出電容列表。此示例顯示了來自不同制造商的88種不同電容。也可退出推薦元件列表并選擇Show all（顯示全部）選項，從4660多種電容中進(jìn)行選擇。

此列表還在不斷擴(kuò)大和更新。盡管LTpowerCAD是一個離線工具，不需要連接互聯(lián)網(wǎng)，但定期更新軟件（使用更新功能）將確保集成開關(guān)穩(wěn)壓器IC和外部元件數(shù)據(jù)庫始終保持最新。

圖5.LTC3310S不同輸出電容的列表框

檢查轉(zhuǎn)換效率

選擇最優(yōu)外部元件后，可使用Loss Estimate & Break Down（損耗估計和分解）按鈕檢查開關(guān)穩(wěn)壓器的轉(zhuǎn)換效率。

然后會顯示效率和損耗的精確圖表。此外，還可基于外殼的熱阻計算IC中達(dá)到的結(jié)溫。圖6所示為轉(zhuǎn)換效率和熱行為的計算頁面。

對電路響應(yīng)滿意后，可進(jìn)行下一組計算。如果效率不理想，可更改開關(guān)穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率（見圖6左側(cè)），或更改所選的外部線圈。然后會重新計算效率，直至獲得滿意的結(jié)果。

優(yōu)化控制帶寬并檢查穩(wěn)定性

選擇外部元件并計算效率后，控制環(huán)路得到優(yōu)化。必須通過環(huán)路設(shè)置確保電路可靠穩(wěn)定，在提供高帶寬時不會出現(xiàn)振蕩甚至不穩(wěn)定的情況，也就是說，能夠?qū)斎腚妷鹤兓龀鲰憫?yīng)，特別是對負(fù)載瞬態(tài)做出響應(yīng)。在LTpowerCAD中，可通過Loop Comp.& Load Transient（環(huán)路補(bǔ)償和負(fù)載瞬態(tài)）選項卡考慮穩(wěn)定性因素。除了波特圖和負(fù)載瞬態(tài)后的輸出電壓響應(yīng)曲線外，還有許多設(shè)置選項。

圖6.電路的效率計算和熱響應(yīng)

圖7.在LTpowerCAD中設(shè)置控制環(huán)路

Use Suggested Compensation（使用建議補(bǔ)償）按鈕最重要。在這種情況下，可使用優(yōu)化補(bǔ)償，用戶無需深入了解控制工程即可調(diào)整任何參數(shù)。圖7顯示設(shè)置控制環(huán)路時的LTpowerCAD屏幕。

在LTpowerCAD中執(zhí)行穩(wěn)定性計算是此架構(gòu)的一個亮點。計算在頻域中執(zhí)行，速度很快，比時域仿真快得多。因此，可以在試驗基礎(chǔ)上更改參數(shù)，并在幾秒鐘內(nèi)提供更新的波特圖。而時域仿真通常需要很多分鐘甚至數(shù)小時。

檢查EMC響應(yīng)并添加濾波器

根據(jù)規(guī)格，在開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入或輸出端可能需要額外的濾波器。尤其是缺乏經(jīng)驗的電源開發(fā)人員將會面臨巨大挑戰(zhàn)。他們需要解決以下問題：必須如何選擇濾波器元件，才能確保輸出端有一定的電壓紋波？是否需要輸入濾波器，如果需要，必須如何設(shè)計該濾波器，才能使傳導(dǎo)輻射低于一定的EMC限制？在這方面，在任何情況下都不允許濾波器和開關(guān)穩(wěn)壓器之間的交互導(dǎo)致不穩(wěn)定。

圖8所示［LL1］為Input EMI Filter Design，這是LTpowerCAD中的一個子工具。可從優(yōu)化外部無源元件的第一個頁面訪問此工具。啟動此濾波器設(shè)計工具將顯示使用無源IC和EMC圖的濾波器設(shè)計。該圖繪制了具有或沒有輸入濾波器的情況下的傳導(dǎo)干擾，并且都在各種EMC規(guī)范（如CISPR 25、CISPR 22或MIL-STD-461G）的適當(dāng)限制范圍內(nèi)。

圖8.LTpowerCAD中用于最大限度地減少開關(guān)穩(wěn)壓器輸入端傳導(dǎo)干擾的濾波器設(shè)計工具

頻域中的濾波器特性和濾波器阻抗也可在輸入傳導(dǎo)EMC響應(yīng)的圖示旁邊以圖形方式顯示。這對于確保濾波器的總諧波失真不會太高，以及濾波器阻抗與開關(guān)穩(wěn)壓器阻抗相匹配是很重要的。阻抗匹配問題會導(dǎo)致濾波器和電壓轉(zhuǎn)換器之間不穩(wěn)定。

LTpowerCAD中會考慮這些具體因素，不需要深入了解這些知識。使用Use Suggested Values（使用建議值）按鈕，可自動提供濾波器設(shè)計。

當(dāng)然，LTpowerCAD也支持在開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出端使用濾波器。此濾波器通常用于輸出電壓只允許有非常低的輸出電壓紋波的應(yīng)用。要在輸出電壓路徑中添加濾波器，可單擊Loop Comp.& Load Transient（環(huán)路補(bǔ)償和負(fù)載瞬態(tài)）頁面上的LC濾波器圖標(biāo)。單擊此圖標(biāo)后，將通過新窗口顯示一個濾波器，如圖9所示。可在此處輕松選擇該濾波器的參數(shù)。反饋環(huán)路既可連接在此附加濾波器的前面，也可連接在其后面。在這里，盡管輸出電壓具有很好的直流精度，但在所有工作模式下都能保證電路的穩(wěn)定響應(yīng)。

圖9.在開關(guān)控制器的輸出端選擇LC濾波器以減少電壓紋波

電源設(shè)計第4步：在時域中仿真電路

使用LTpowerCAD完成電路設(shè)計后，接下來的仿真極其重要。通常在時域中進(jìn)行仿真。根據(jù)時間檢查各個信號。也可在印刷電路板上測試不同電路的交互。還可將寄生效應(yīng)集成到仿真中。這樣，仿真結(jié)果變得非常準(zhǔn)確，但仿真時間更長。

一般而言，仿真適合在實施真實硬件之前收集額外的信息。了解電路仿真的電位和限值很重要。僅通過仿真可能無法找到最優(yōu)電路。在仿真過程中，可修改參數(shù)并重新啟動仿真。但是，如果用戶不是電路設(shè)計專家，則很難確定正確的參數(shù)，再進(jìn)行優(yōu)化。因此，仿真用戶未必始終清楚電路是否已經(jīng)達(dá)到了最佳狀態(tài)。LTpowerCAD等計算工具更適合達(dá)成此目的。

使用LTspice仿真電源

ADI公司的LTspice?是一款功能強(qiáng)大的電路仿真程序。它易于使用，具有擴(kuò)展的用戶支持網(wǎng)絡(luò)、優(yōu)化選項，并可提供優(yōu)質(zhì)可靠的仿真結(jié)果，因而在全球范圍內(nèi)被硬件開發(fā)人員廣泛使用。此外，LTspice是免費的，并可輕松安裝在個人計算機(jī)上。

LTspice基于SPICE程序，該程序誕生于加州大學(xué)伯克利分校的電氣工程與計算機(jī)科學(xué)系。SPICE是集成電路仿真程序的首字母縮寫。該程序的許多商業(yè)版本都是可用的。雖然最初基于伯克利分校的SPICE，但LTspice在電路的收斂性和仿真速度方面進(jìn)行了相當(dāng)大的改進(jìn)。LTspice的其他功能包括電路圖編輯器和波形查看器。這兩種工具的操作都很直觀，即使對初學(xué)者也是如此。這些功能也為經(jīng)驗豐富的用戶提供了很大的靈活性。

LTspice設(shè)計簡單，易于使用。該程序可在analog.com上下載，其中的大型數(shù)據(jù)庫包含ADI公司幾乎所有電源IC的仿真模型以及外部無源元件。如前所述，LTspice安裝后即可離線使用。但是，定期更新可確保加載開關(guān)穩(wěn)壓器和外部元件的最新模型。

要啟動初始仿真，可在analog.com上的電源產(chǎn)品文件夾中選擇一個LTspice電路（例如，LT8650S評估板）。這些通常是適合可用評估板的電路。在analog. com上的特定產(chǎn)品文件夾中，雙擊相關(guān)LTspice鏈接，LTspice將在您的PC上本地啟動完整電路。其中包括運行仿真所需的所有外部元件和預(yù)設(shè)。然后，單擊圖10所示的運行程序圖標(biāo)以啟動仿真。

仿真后，可使用波形查看器訪問電路的所有電壓和電流。圖11顯示了電路上升時輸出電壓和輸入電壓的典型示意圖。

SPICE仿真主要適用于詳細(xì)了解電源電路，這樣在構(gòu)建硬件時就不會出現(xiàn)意外。也可使用LTspice更改和優(yōu)化電路。此外，還可仿真開關(guān)穩(wěn)壓器與印刷電路板上其他電路部件的交互。這對發(fā)現(xiàn)相互依賴關(guān)系特別有用。例如，一次可同時仿真多個開關(guān)穩(wěn)壓器。這會延長仿真時間，但也可以檢查某些交互作用。

最后，LTspice是目前IC開發(fā)人員所使用的功能極其強(qiáng)大且可靠的工具。ADI公司的很多IC都是借助此工具開發(fā)出來的。

圖10.使用LTspice生成的LTC3310S仿真電路

圖11.使用LTspice得到的LTC3310S電路仿真結(jié)果

電源設(shè)計第5步：硬件測試

雖然自動化工具在電源設(shè)計中很有用，但下一步是執(zhí)行基本硬件評估。開關(guān)穩(wěn)壓器以非常高的速率開關(guān)電流。由于電路（特別是印刷電路板布局）的寄生效應(yīng)，這些開關(guān)電流引起的電壓偏置會產(chǎn)生輻射。可使用LTspice對此類效應(yīng)進(jìn)行仿真。但是，要做到這一點，需要有關(guān)寄生特性的精確信息。大多數(shù)情況下無法獲取這些信息。您必須做出許多假設(shè)，這些假設(shè)會降低仿真結(jié)果的值。因此，必須完成全面硬件評估。

印刷電路板布局——重要元件

印刷電路板布局通常稱為一種元件。它很重要，例如，它無法像試驗板一樣，通過跳線來操作開關(guān)穩(wěn)壓器進(jìn)行測試。主要是因為開關(guān)電流的路徑中的寄生電感會導(dǎo)致電壓偏置，從而無法這樣操作。有些電路也可能因電壓過高而損壞。

LTspice支持創(chuàng)建最佳印刷電路板布局。開關(guān)穩(wěn)壓器IC數(shù)據(jù)手冊通常提供有關(guān)參考印刷電路板布局的信息。對于大多數(shù)應(yīng)用，可使用這個建議的布局。

在指定溫度范圍內(nèi)評估硬件

在電源設(shè)計過程中，可通過轉(zhuǎn)換效率來確定開關(guān)穩(wěn)壓器IC是否在允許的溫度范圍內(nèi)工作。但是，在預(yù)期的溫度限制下測試硬件很重要。開關(guān)穩(wěn)壓器IC甚至外部元件的額定值在允許的溫度范圍內(nèi)會發(fā)生變化。在使用LTspice進(jìn)行仿真的過程中，可以輕松地考慮這些溫度影響。但是，這樣的仿真與給定參數(shù)一樣好。如果這些參數(shù)具有實際值，LTspice就可以執(zhí)行蒙特卡羅分析，從而得到想要的結(jié)果。在很多情況下，通過物理測試評估硬件仍更具實用性。

EMI和EMC考量

在系統(tǒng)設(shè)計的后期階段，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硬件進(jìn)行，但仿真和計算工具對于收集見解信息非常有用。可以在硬件測試之前評估不同的方案。當(dāng)然，涉及的有些寄生因素通常不會在仿真中建模，但可以獲取與這些測試參數(shù)相關(guān)的一般性能趨勢。此外，從這類仿真中獲得的數(shù)據(jù)可提供必要的見解，以便在初始EMC測試未通過的情況下，快速對硬件進(jìn)行修改。由于EMC測試成本高、時間長，在早期設(shè)計階段使用LTspice或LTpowerCAD等軟件有助于在測試前獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果，從而加快整個電源設(shè)計過程并降低成本。

總結(jié)

適用于電源設(shè)計的工具已變得非常復(fù)雜且強(qiáng)大，足以滿足復(fù)雜系統(tǒng)的需求。LTpowerCAD和LTspice是具有簡單易用界面的高性能工具。因此，這些工具對于任何專業(yè)水平的設(shè)計人員都會大有幫助。不管是經(jīng)驗豐富的開發(fā)人員，還是經(jīng)驗不足的新手都可以使用這些程序進(jìn)行日常電源開發(fā)。

仿真功能的發(fā)展程度令人震驚。使用適當(dāng)?shù)墓ぞ呖梢詭椭斓貥?gòu)建先進(jìn)可靠的電源。

作者簡介

Frederik Dostal 曾就讀于德國埃爾蘭根大學(xué)微電子學(xué)專業(yè)。他于2001年開始工作，涉足電源管理業(yè)務(wù)，曾擔(dān)任各種應(yīng)用工程師職位，并在亞利桑那州鳳凰城工作了4年，負(fù)責(zé)開關(guān)模式電源。他于2009年加入ADI公司，并在慕尼黑ADI公司擔(dān)任電源管理現(xiàn)場應(yīng)用工程師。