【導讀】在開關電源開發(fā)的復雜挑戰(zhàn)面前，單一工具往往力不從心。要高效實現從架構規(guī)劃、電路仿真、元器件選型到布局優(yōu)化與性能驗證的全流程，一套高效協(xié)同的現代工具鏈至關重要。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，它們通過提供關鍵洞察與自動化輔助，賦能工程師在保證設計質量的同時，顯著壓縮開發(fā)周期，應對從提升能效到優(yōu)化熱管理的多重設計目標。
摘要
在開關電源開發(fā)的復雜挑戰(zhàn)面前，單一工具往往力不從心。要高效實現從架構規(guī)劃、電路仿真、元器件選型到布局優(yōu)化與性能驗證的全流程，一套高效協(xié)同的現代工具鏈至關重要。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，它們通過提供關鍵洞察與自動化輔助，賦能工程師在保證設計質量的同時，顯著壓縮開發(fā)周期，應對從提升能效到優(yōu)化熱管理的多重設計目標。
引言
幾乎所有電子電路都需要電源。因此，大多數工程師必須設計電源解決方案來為電路供電。為了簡化這項任務，業(yè)界在長期實踐中開發(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)設計工具、電源計算工具、數字電源設置工具、電路仿真工具和硬件評估工具。它們各司其職，共同為硬件設計人員的工作帶來極大的便利。
電源系統(tǒng)設計工具
系統(tǒng)設計工具幫助設計系統(tǒng)的電源架構。大多數電子系統(tǒng)需要不止一個電源，通常需要五個或更多不同電源。借助ADI公司的LTpowerPlanner?工具，設計人員可以繪制出電路中所有不同電源轉換步驟的簡單框圖。這些步驟可以在易于使用的圖形用戶界面中進行修改。每個電源模塊都可以設置預期的電源轉換效率，用戶只需點擊幾下鼠標就能得到電源架構的總效率。圖1顯示了這樣一個框圖的屏幕截圖，計算得出的總效率為86.3%。
這款工具能夠幫助用戶作出關于電源架構的基礎決策。它通過選擇具有特定效率的DC-DC轉換器，實現可接受的總電源轉換效率。此外，它還能作出并記錄系統(tǒng)級決策，例如時序控制要求和能力。
圖1.使用LTpowerPlanner開發(fā)的電源架構框圖
電源計算工具
利用LTpowerPlanner為特定應用開發(fā)出合適的電源系統(tǒng)設計后，我們便要專注于特定的DC-DC轉換器，以設計和優(yōu)化電路。對于這一設計步驟，最佳的輔助工具是LTpowerCAD?。用戶可以從ADI網站免費下載該工具，并將其安裝在本地計算機上。僅當更新軟件或精確計算電感磁芯損耗時，才需要網絡連接。安裝并啟動LTpowerCAD后，用戶就可以從參數搜索窗口中選擇現有電源轉換器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、頻率同步能力或數字接口）之后，該工具就會顯示合適元器件的列表。然后，用戶從列表中選擇一個解決方案，隨即會打開一個設計窗口，其中包含外部元件的建議值。接著，從來自多家供應商的大量真實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)化電路的所有計算，包括電路效率、穩(wěn)定性考慮以及電源轉換器輸入端或輸出端的額外濾波要求。
使用該工具時，如果選擇的元件值遠低于或高于電路計算的建議值，則會顯示警告消息。
圖2顯示了LTpowerCAD中用于優(yōu)化設計的主窗口。黃色框顯示工具計算出的值，藍色框允許用戶輸入值。使用此工具設計開關電源電路非常簡單。
圖2.LTpowerCAD中用于選擇開關電源外部元件的選項卡
圖3顯示了LTpowerCAD中的一個獨特功能：電磁干擾(EMI)濾波器設計工具。用戶可在LTpowerCAD的主電路界面中訪問此工具，點擊后將打開一個專用濾波器設計器窗口。這個濾波器設計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EMI規(guī)范，例如CISPR 22/CISPR 32、CISPR 25或MIL-STD-461G輻射標準。它會繪制電源轉換器本身的輻射圖，并推薦適當的輸入端濾波器，以將傳導輻射衰減到可接受的水平。除了這些主要任務之外，它還會繪制濾波器傳遞函數（濾波器衰減）和濾波器阻抗圖。適當的濾波器阻抗對于確保DC-DC轉換器和濾波器的組合保持穩(wěn)定非常重要。
圖3.LTpowerCAD中的EMI濾波器設計工具，用于設計濾波器以減少電源輸入端的傳導輻射
數字電源設置工具
有些電源是數字型。當然，1和0無法為負載供電。我們所說的數字電源是指電源穩(wěn)壓器IC內的數字電路，用于控制電路參數、讀取有關電源活動的信息（遙測）、在數字域中運行完整的控制回路等。雖然需要付出更大的努力來快速準確地將信號數字化，但也因此具備了以數字化方式調整控制回路的能力。
評估數字電源時，我們需要一個軟件工具來與電源通信，并對基于狀態(tài)機的器件進行各種設置。為此，用戶可以下載免費的LTpowerPlay?工具。它提供圖形用戶界面，能夠全面控制數字電源。通常，該軟件使用USB轉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置，并輪詢和顯示電源信息。
LTpowerPlay數字電源工具可以在仿真模式下作為獨立系統(tǒng)運行，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字電源IC，而無需花時間閱讀冗長的數據手冊。
圖4.利用LTpowerPlay對數字電源集成電路進行適當的設置
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、符號生成器和波形查看器。它免費使用，功能先進，并針對開關電源仿真進行了優(yōu)化。與一些SPICE仿真器相比，LTspice的開關電源仿真速度更快。此外，LTspice的新特性持續(xù)增加，運行速度不斷提升。
電路仿真工具是對LTpowerCAD等電路計算工具的有效補充。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，還可以將多個電源組合成一個大系統(tǒng)，檢查多個電源如何相互影響。
LTspice 17.1版引入了頻率響應分析(FRA)，能夠快速、輕松地生成電源調節(jié)環(huán)路的波特圖。LTspice 24版添加了特殊FRA探針，支持繪制調節(jié)環(huán)路的部分傳遞函數圖。LTspice 24.1.8版引入了繪制奈奎斯特圖和標準波特圖的功能。圖5顯示了LTspice中一款隔離式DC-DC轉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網站免費下載有限節(jié)點版本的SIMPLIS。SIMPLIS是一款分段線性系統(tǒng)仿真工具，它在仿真開關電源時速度極快。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
硬件評估工具
電路計算和仿真不僅有用，而且重要。然而，即使采用最先進的電源管理開發(fā)工具鏈，仍然需要使用真實硬件構建電路來進行評估。借助上述工具充分準備電路，可以縮短硬件評估時間，但仍需進行實際的硬件搭建與檢查。為了減少實驗評估所需時間，我們推出了一個名為LTpowerAnalyzer的新電源評估環(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發(fā)生器，能夠控制LTpowerAnalyzer。圖6顯示了連接到被測設計(DUT)開關電源板的LTpowerAnalyzer的設置。
圖6.LTpowerAnalyzer幫助進行硬件評估
該硬件評估工具可以繪制電源的波特圖。它能夠對高達100 A的負載瞬變進行生命周期負載瞬變測試。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雜（電感或電容性）負載。
用戶可以從ADI網站以合理的價格購買LTpowerAnalyzer。它帶有非常直觀易用的LTpowerAnalyzer軟件。它甚至支持與LTpowerCAD對接，將波特圖計算結果與真實硬件測量結果進行比較。兩個圖形可以顯示在同一個繪圖窗格窗口中，便于將計算結果與實際情況進行比較。圖7屏幕截圖顯示了使用LTpowerAnalyzer軟件進行的波特圖測量。
圖7.LTpowerAnalyzer軟件能夠輕松地對電源進行詳細評估
結語
得益于各種最新的電源工具，電源設計過程大為簡化，各個優(yōu)化步驟實現了自動化，相關信息也能以簡明直觀的形式在過程中呈現。關鍵決策不僅可由經驗豐富的電源管理專家作出，也可由負責為主電路開發(fā)電源的電路設計人員作出。而且令人驚喜的是，許多此類工具對用戶免費提供，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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