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Improving Power Supply Design Using Semi-Automation—Five Steps to Quick and Efficient Design 作者：Frederik Dostal，ADI 公司電源管理高級現場(chǎng)應用工程師 簡(jiǎn)介 由于沒(méi)有典型的應用，設計正確的電源既重要又復雜。雖然尚未完全實(shí)現電源設計的自動(dòng)化，但目前已存在一系列半自動(dòng)化工具。本文通過(guò)電源設計過(guò)程的五個(gè)關(guān)鍵步驟詳細介紹如何使用半自動(dòng)化設計工具。這些工具對于電源設計工程師新手和專(zhuān)家都很有價(jià)值。 電源設計第1步：創(chuàng )建電源架構 創(chuàng )建合適的電源架構是電源設計的決定性步驟。此步驟通過(guò)增加所需電壓軌的數量而變得更加復雜。此時(shí)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。左側顯示工業(yè)應用的24 V電源電壓。此電壓現在必須轉換為5 V、3.3 V、1.8 V、1.2 V和0.9 V，并提供相應的電流。生成單個(gè)電壓的最佳方法是什么？要從24 V轉換為5 V，最好選擇經(jīng)典的降壓開(kāi)關(guān)轉換器。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，或者我們是否應直接從24 V轉換為3.3 V？回答這些問(wèn)題需要進(jìn)一步分析。由于電源的一個(gè)重要特性是轉換效率，在選擇架構時(shí)盡可能保持高效率非常重要。 
圖1.創(chuàng )建電源架構 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(guò)了兩個(gè)轉換級。每個(gè)轉換級都只能實(shí)現有限的效率。例如，假設每個(gè)轉換級的轉換效率為90%，則已通過(guò)兩個(gè)轉換級的3.3 V電能的效率僅為81% (0.9 × 0.9 = 0.81)。系統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(wèn)題。但是，對于更高的電流，這種較低的效率可能對整體系統效率的影響更大，因此是一個(gè)很大的劣勢。 然而，從上述考慮來(lái)看，并不能由此得出結論：直接一步從較高的電源電壓轉換為較低的輸出電壓始終更好�？商幚磔^高輸入電壓的電壓轉換器通常更昂貴，當輸入電壓和輸出電壓之間的壓差很大時(shí)，效率也會(huì )降低。 在電源設計中，可以使用LTpowerPlanner®等架構工具來(lái)尋找最佳架構。此工具可從ADI公司免費獲取，它屬于LTpowerCAD®開(kāi)發(fā)環(huán)境的一部分，可以安裝在您的計算機上。利用LTpowerPlanner工具，可快速輕松地評估不同的電源架構。 確定最終規格 確定最終規格在電源設計中極其重要。所有其他開(kāi)發(fā)步驟都取決于這個(gè)規格。通常，在電子系統的其余部分設計完成之前，電源的精度要求是未知的。這通常會(huì )給電源設計開(kāi)發(fā)又增加了一層時(shí)間限制。規格在開(kāi)發(fā)階段后期也經(jīng)常會(huì )發(fā)生改變。例如，如果在最終編程設計時(shí)發(fā)現FPGA需要額外的功率，則必須降低DSP的電壓以節省能量，或者必須避免原定的1 MHz開(kāi)關(guān)頻率，因為它會(huì )耦合到信號路徑中。這種更改會(huì )對架構產(chǎn)生非常嚴重的影響，特別是對電源電路設計。 規格通常在早期階段采用。此規格應設計得盡可能靈活，這樣更改起來(lái)會(huì )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(kāi)發(fā)工具尤其有用。這樣可以在短時(shí)間內重新計算電源。通過(guò)這種方式，可更輕松，最重要的是可更快速地完成規格更改。 規格包括可用能源、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)預算、散熱、EMC要求（包括傳導和輻射行為）、預期負載瞬態(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 )建電源系統架構所需的所有必要功能。它操作非常簡(jiǎn)單，因此可以快速進(jìn)行概念開(kāi)發(fā)。 先定義輸入能源，再添加單個(gè)負載或用電設備。然后添加單個(gè)DC-DC轉換器模塊�？梢允情_(kāi)關(guān)穩壓器或低壓差(LDO)線(xiàn)性穩壓器。所有組件均可指定自己的名稱(chēng)。存儲預期轉換效率用于計算整體效率。 使用LTpowerPlanner有兩大優(yōu)勢。首先，通過(guò)簡(jiǎn)單的架構計算，可以確定對整體效率有利的各個(gè)轉換級的配置。圖2所示為相同電壓軌的兩個(gè)不同架構。底部架構的整體效率略高于頂部架構。不進(jìn)行詳細計算的話(huà)，這一點(diǎn)并不明顯。而使用LTpowerPlanner時(shí)，立即會(huì )顯現這種差異。 LTpowerPlanner的第二個(gè)優(yōu)勢是提供條理清晰的文檔。圖形用戶(hù)界面可提供清晰的架構草圖，這一可視化工具在與同事討論和記錄開(kāi)發(fā)工作時(shí)會(huì )非常有用。文檔可以存儲為紙質(zhì)拷貝或數字文件。
圖2.兩個(gè)均具有效率計算功能的競爭架構 電源設計第2步：為每個(gè)DC-DC轉換器選擇集成電路 如今在設計電源時(shí)，都使用集成電路而非具有很多獨立組件的分立電路。市場(chǎng)上有許多不同的開(kāi)關(guān)穩壓器IC和線(xiàn)性穩壓器。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，在后續設計過(guò)程中，該電路的特性固定不變。如果后面發(fā)現其他IC更適合，則需要重新開(kāi)始整合新的IC。這種開(kāi)發(fā)工作可能非常耗時(shí)，但使用設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，只需輸入一些規格。例如，可輸入輸入電壓、輸出電壓和所需的負載電流。根據這些規格，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(lèi)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轉換器。
圖3.使用LTpowerCAD搜索合適的開(kāi)關(guān)穩壓器IC
圖4.LTpowerCAD電源計算工具 電源設計第3步：?jiǎn)蝹�(gè)DC-DC轉換器的電路設計 第3步是電路設計。需要為所選的開(kāi)關(guān)穩壓器IC選擇外部無(wú)源元件。在此步驟中對電路進(jìn)行優(yōu)化。這通常需要仔細研究數據手冊，并進(jìn)行所有必需的計算。使用綜合設計工具LTpowerCAD可極大地簡(jiǎn)化電源設計的這一步驟，并可進(jìn)一步優(yōu)化結果。 LTpowerCAD作為強大的計算工具 LTpowerCAD由ADI公司開(kāi)發(fā)，旨在簡(jiǎn)化電路設計。它不是仿真工具，而是計算工具。它可以根據輸入的規格，在很短的時(shí)間內提供有關(guān)優(yōu)化的外部元件的建議�？蓛�(yōu)化轉換效率。也可計算控制環(huán)路的傳遞函數。這有助于輕松地有效控制帶寬和穩定性。 在LTpowerCAD中打開(kāi)開(kāi)關(guān)穩壓器IC后，主屏幕將會(huì )顯示具有所有必需外部元件的典型電路。圖4顯示了以L(fǎng)TC3310S 為例的主屏幕。 此降壓開(kāi)關(guān)穩壓器的輸出電流高達10 A，開(kāi)關(guān)頻率高達5 MHz。 屏幕上的黃色字段顯示計算值或指定值。用戶(hù)可使用藍色字段配置設置。 選擇外部元件 LTpowerCAD基于詳細的外部元件模型，而不只是理想值計算，因此能夠可靠地仿真實(shí)際電路的行為。Ltpower包括一個(gè)大型數據庫，其中包含多個(gè)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(xiàn)圈的磁芯損耗都會(huì )考慮在內。要選擇外部元件，可點(diǎn)擊圖4所示的藍色外部元件。將打開(kāi)一個(gè)新窗口，顯示一長(cháng)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(lái)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。 此列表還在不斷擴大和更新。盡管LTpowerCAD是一個(gè)離線(xiàn)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(kāi)關(guān)穩壓器IC和外部元件數據庫始終保持最新。
圖5.LTC3310S不同輸出電容的列表框 檢查轉換效率 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(kāi)關(guān)穩壓器的轉換效率。 然后會(huì )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中達到的結溫。圖6所示為轉換效率和熱行為的計算頁(yè)面。 對電路響應滿(mǎn)意后，可進(jìn)行下一組計算。如果效率不理想，可更改開(kāi)關(guān)穩壓器的開(kāi)關(guān)頻率（見(jiàn)圖6左側），或更改所選的外部線(xiàn)圈。然后會(huì )重新計算效率，直至獲得滿(mǎn)意的結果。 優(yōu)化控制帶寬并檢查穩定性 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(guò)環(huán)路設置確保電路可靠穩定，在提供高帶寬時(shí)不會(huì )出現振蕩甚至不穩定的情況，也就是說(shuō)，能夠對輸入電壓變化做出響應，特別是對負載瞬態(tài)做出響應。在LTpowerCAD中，可通過(guò)Loop Comp.& Load Transient（環(huán)路補償和負載瞬態(tài)）選項卡考慮穩定性因素。除了波特圖和負載瞬態(tài)后的輸出電壓響應曲線(xiàn)外，還有許多設置選項。
圖6.電路的效率計算和熱響應
圖7.在LTpowerCAD中設置控制環(huán)路 Use Suggested Compensation（使用建議補償）按鈕最重要。在這種情況下，可使用優(yōu)化補償，用戶(hù)無(wú)需深入了解控制工程即可調整任何參數。圖7顯示設置控制環(huán)路時(shí)的LTpowerCAD屏幕。 在LTpowerCAD中執行穩定性計算是此架構的一個(gè)亮點(diǎn)。計算在頻域中執行，速度很快，比時(shí)域仿真快得多。因此，可以在試驗基礎上更改參數，并在幾秒鐘內提供更新的波特圖。而時(shí)域仿真通常需要很多分鐘甚至數小時(shí)。 檢查EMC響應并添加濾波器 根據規格，在開(kāi)關(guān)穩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(kāi)發(fā)人員將會(huì )面臨巨大挑戰。他們需要解決以下問(wèn)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，必須如何設計該濾波器，才能使傳導輻射低于一定的EMC限制？在這方面，在任何情況下都不允許濾波器和開(kāi)關(guān)穩壓器之間的交互導致不穩定。 圖8所示為Input EMI Filter Design，這是LTpowerCAD中的一個(gè)子工具�？蓮膬�(yōu)化外部無(wú)源元件的第一個(gè)頁(yè)面訪(fǎng)問(wèn)此工具。啟動(dòng)此濾波器設計工具將顯示使用無(wú)源IC和EMC圖的濾波器設計。該圖繪制了具有或沒(méi)有輸入濾波器的情況下的傳導干擾，并且都在各種EMC規范（如CISPR 25、CISPR 22或MIL-STD-461G）的適當限制范圍內。
圖8.LTpowerCAD中用于最大限度地減少開(kāi)關(guān)穩壓器輸入端傳導干擾的濾波器設計工具 頻域中的濾波器特性和濾波器阻抗也可在輸入傳導EMC響應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(huì )太高，以及濾波器阻抗與開(kāi)關(guān)穩壓器阻抗相匹配是很重要的。阻抗匹配問(wèn)題會(huì )導致濾波器和電壓轉換器之間不穩定。 LTpowerCAD中會(huì )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(dòng)提供濾波器設計。 當然，LTpowerCAD也支持在開(kāi)關(guān)穩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)路補償和負載瞬態(tài)）頁(yè)面上的LC濾波器圖標。單擊此圖標后，將通過(guò)新窗口顯示一個(gè)濾波器，如圖9所示�？稍诖颂庉p松選擇該濾波器的參數。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定響應。
圖9.在開(kāi)關(guān)控制器的輸出端選擇LC濾波器以減少電壓紋波 電源設計第4步：在時(shí)域中仿真電路 使用LTpowerCAD完成電路設計后，接下來(lái)的仿真極其重要。通常在時(shí)域中進(jìn)行仿真。根據時(shí)間檢查各個(gè)信號。也可在印刷電路板上測試不同電路的交互。還可將寄生效應集成到仿真中。這樣，仿真結果變得非常準確，但仿真時(shí)間更長(cháng)。 一般而言，仿真適合在實(shí)施真實(shí)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(guò)仿真可能無(wú)法找到最優(yōu)電路。在仿真過(guò)程中，可修改參數并重新啟動(dòng)仿真。但是，如果用戶(hù)不是電路設計專(zhuān)家，則很難確定正確的參數，再進(jìn)行優(yōu)化。因此，仿真用戶(hù)未必始終清楚電路是否已經(jīng)達到了最佳狀態(tài)。LTpowerCAD等計算工具更適合達成此目的。 使用LTspice仿真電源 ADI公司的LTspice®是一款功能強大的電路仿真程序。它易于使用，具有擴展的用戶(hù)支持網(wǎng)絡(luò )、優(yōu)化選項，并可提供優(yōu)質(zhì)可靠的仿真結果，因而在全球范圍內被硬件開(kāi)發(fā)人員廣泛使用。此外，LTspice是免費的，并可輕松安裝在個(gè)人計算機上。 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科學(xué)系。SPICE是集成電路仿真程序的首字母縮寫(xiě)。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(guān)，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(hù)提供了很大的靈活性。 LTspice設計簡(jiǎn)單，易于使用。該程序可在analog.com上下載，其中的大型數據庫包含ADI公司幾乎所有電源IC的仿真模型以及外部無(wú)源元件。如前所述，LTspice安裝后即可離線(xiàn)使用。但是，定期更新可確保加載開(kāi)關(guān)穩壓器和外部元件的最新模型。 要啟動(dòng)初始仿真，可在analog.com上的電源產(chǎn)品文件夾中選擇一個(gè)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(dòng)完整電路。其中包括運行仿真所需的所有外部元件和預設。然后，單擊圖10所示的運行程序圖標以啟動(dòng)仿真。 仿真后，可使用波形查看器訪(fǎng)問(wèn)電路的所有電壓和電流。圖11顯示了電路上升時(shí)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了解電源電路，這樣在構建硬件時(shí)就不會(huì )出現意外。也可使用LTspice更改和優(yōu)化電路。此外，還可仿真開(kāi)關(guān)穩壓器與印刷電路板上其他電路部件的交互。這對發(fā)現相互依賴(lài)關(guān)系特別有用。例如，一次可同時(shí)仿真多個(gè)開(kāi)關(guān)穩壓器。這會(huì )延長(cháng)仿真時(shí)間，但也可以檢查某些交互作用。 最后，LTspice是目前IC開(kāi)發(fā)人員所使用的功能極其強大且可靠的工具。ADI公司的很多IC都是借助此工具開(kāi)發(fā)出來(lái)的。
圖10.使用LTspice生成的LTC3310S仿真電路
圖11.使用LTspice得到的LTC3310S電路仿真結果 電源設計第5步：硬件測試 雖然自動(dòng)化工具在電源設計中很有用，但下一步是執行基本硬件評估。開(kāi)關(guān)穩壓器以非常高的速率開(kāi)關(guān)電流。由于電路（特別是印刷電路板布局）的寄生效應，這些開(kāi)關(guān)電流引起的電壓偏置會(huì )產(chǎn)生輻射�？墒褂肔Tspice對此類(lèi)效應進(jìn)行仿真。但是，要做到這一點(diǎn)，需要有關(guān)寄生特性的精確信息。大多數情況下無(wú)法獲取這些信息。您必須做出許多假設，這些假設會(huì )降低仿真結果的值。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(chēng)為一種元件。它很重要，例如，它無(wú)法像試驗板一樣，通過(guò)跳線(xiàn)來(lái)操作開(kāi)關(guān)穩壓器進(jìn)行測試。主要是因為開(kāi)關(guān)電流的路徑中的寄生電感會(huì )導致電壓偏置，從而無(wú)法這樣操作。有些電路也可能因電壓過(guò)高而損壞。 LTspice支持創(chuàng )建最佳印刷電路板布局。開(kāi)關(guān)穩壓器IC數據手冊通常提供有關(guān)參考印刷電路板布局的信息。對于大多數應用，可使用這個(gè)建議的布局。 在指定溫度范圍內評估硬件 在電源設計過(guò)程中，可通過(guò)轉換效率來(lái)確定開(kāi)關(guān)穩壓器IC是否在允許的溫度范圍內工作。但是，在預期的溫度限制下測試硬件很重要。開(kāi)關(guān)穩壓器IC甚至外部元件的額定值在允許的溫度范圍內會(huì )發(fā)生變化。在使用LTspice進(jìn)行仿真的過(guò)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一樣好。如果這些參數具有實(shí)際值，LTspice就可以執行蒙特卡羅分析，從而得到想要的結果。在很多情況下，通過(guò)物理測試評估硬件仍更具實(shí)用性。 EMI和EMC考量 在系統設計的后期階段，硬件必須通過(guò)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)硬件進(jìn)行，但仿真和計算工具對于收集見(jiàn)解信息非常有用�？梢栽谟布䴗y試之前評估不同的方案。當然，涉及的有些寄生因素通常不會(huì )在仿真中建模，但可以獲取與這些測試參數相關(guān)的一般性能趨勢。此外，從這類(lèi)仿真中獲得的數據可提供必要的見(jiàn)解，以便在初始EMC測試未通過(guò)的情況下，快速對硬件進(jìn)行修改。由于EMC測試成本高、時(shí)間長(cháng)，在早期設計階段使用LTspice或LTpowerCAD等軟件有助于在測試前獲得更準確的結果，從而加快整個(gè)電源設計過(guò)程并降低成本。 總結 適用于電源設計的工具已變得非常復雜且強大，足以滿(mǎn)足復雜系統的需求。LTpowerCAD和LTspice是具有簡(jiǎn)單易用界面的高性能工具。因此，這些工具對于任何專(zhuān)業(yè)水平的設計人員都會(huì )大有幫助。不管是經(jīng)驗豐富的開(kāi)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(kāi)發(fā)。 仿真功能的發(fā)展程度令人震驚。使用適當的工具可以幫助您更快地構建先進(jìn)可靠的電源。 ADI的免費電源工具 點(diǎn)擊以下鏈接獲�。� ► 優(yōu)化幫助LTpowerPlanner ► 計算工具LTpowerCAD ► 仿真工具Ltspice 作者簡(jiǎn)介 Frederik Dostal 曾就讀于德國埃爾蘭根大學(xué)微電子學(xué)專(zhuān)業(yè)。他于2001年開(kāi)始工作，涉足電源管理業(yè)務(wù)，曾擔任各種應用工程師職位，并在亞利桑那州鳳凰城工作了4年，負責開(kāi)關(guān)模式電源。他于2009年加入ADI公司，并在慕尼黑A(yíng)DI公司擔任電源管理現場(chǎng)應用工程師。聯(lián)系方式：frederik.dostal@analog.com。 |
