摘要

本文介紹適用于開(kāi)關(guān)電源開(kāi)發(fā)的各種工具。這些工具協(xié)同工作，幫助設(shè)計(jì)人員完成從系統(tǒng)電源管理架構(gòu)的初始設(shè)計(jì)到硬件最終評(píng)估的全流程開(kāi)發(fā)。每種工具都有特定的用途，并能提供有價(jià)值的洞察，使工程師能夠在更短的開(kāi)發(fā)時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出更優(yōu)質(zhì)的電源。

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(lái)為電路供電。為了簡(jiǎn)化這項(xiàng)任務(wù)，業(yè)界在長(zhǎng)期實(shí)踐中開(kāi)發(fā)出了一套功能完備的電源工具鏈。一般來(lái)說(shuō)，可以將電源工具分為五類(lèi)：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(lái)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(jiǎn)單框圖。這些步驟可以在易于使用的圖形用戶(hù)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(hù)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(hù)作出關(guān)于電源架構(gòu)的基礎(chǔ)決策。它通過(guò)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(kāi)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(kāi)發(fā)出合適的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，我們便要專(zhuān)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(hù)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(hù)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(hù)從列表中選擇一個(gè)解決方案，隨即會(huì)打開(kāi)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(lái)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(hù)輸入值。使用此工具設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源電路非常簡(jiǎn)單。

圖2.LTpowerCAD中用于選擇開(kāi)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(hù)可在LTpowerCAD的主電路界面中訪(fǎng)問(wèn)此工具，點(diǎn)擊后將打開(kāi)一個(gè)專(zhuān)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(lái)滿(mǎn)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(wú)法為負(fù)載供電。我們所說(shuō)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(lái)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(lái)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(hù)可以下載免費(fèi)的LTpowerPlay®工具。它提供圖形用戶(hù)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(xún)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(wú)妨。通過(guò)這種方式，用戶(hù)可以快速了解數(shù)字電源IC，而無(wú)需花時(shí)間閱讀冗長(zhǎng)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(guān)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(kāi)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(kāi)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(hù)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(hù)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(xiàn)性系統(tǒng)仿真工具，它在仿真開(kāi)關(guān)電源時(shí)速度極快。OASIS仿真環(huán)境則是包含SIMPLIS的離線(xiàn)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(kāi)發(fā)工具鏈，仍然需要使用真實(shí)硬件構(gòu)建電路來(lái)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L(zhǎng)TpowerAnalyzer的新電源評(píng)估環(huán)境。它包含一套硬件，通過(guò)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(kāi)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(hù)可以從ADI網(wǎng)站以合理的價(jià)格購(gòu)買(mǎi)LTpowerAnalyzer。它帶有非常直觀(guān)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(yǔ)

得益于各種最新的電源工具，電源設(shè)計(jì)過(guò)程大為簡(jiǎn)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(jiǎn)明直觀(guān)的形式在過(guò)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(zhuān)家作出，也可由負(fù)責(zé)為主電路開(kāi)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(lèi)工具對(duì)用戶(hù)免費(fèi)提供，用戶(hù)無(wú)需任何資金投入就能輕松使用合適的工具開(kāi)展工作。