实现快速高效设计的五个步骤

设计正确的电源既重要又复杂，因为没有一个典型的应用。虽然电源设计的完全自动化尚未实现，但目前已有全面的半自动化工具。本文通过电源设计过程的五个关键步骤详细介绍了半自动设计工具的使用。这些工具对于新手和专家电源设计工程师都很有价值。

电源设计步骤 1：创建电源架构

创建合适的电源架构是电源设计的决定性步骤。通过增加所需的电压轨数量，此步骤变得更加复杂。此时，决定是否需要创建中间电路电压以及需要创建多少中间电路电压。图1显示了电源的典型框图。工业应用的24 V电源电压如左图所示。该电压现在必须转换为5 V、3.3 V、1.8 V、1.2 V和0.9 V，并具有相应的电流。产生单个电压的最佳方法是什么？选择经典的降压开关（降压）转换器对于从24 V转换为5 V最有意义。但是，如何产生其他电压？从已经创建的5 V产生3.3 V是否有意义，或者我们应该直接从24 V转换为3.3 V？回答这些问题需要进一步分析。由于电源的一个重要特性是转换效率，因此在选择架构时保持尽可能高的效率非常重要。

图1.创建电源架构。

如果使用中间电压（例如图1所示示例中的5 V）产生额外的电压，则用于3.3 V的能量必须已经经过两个转换级。每个转换阶段的效率有限。例如，如果假设每个转换级的转换效率为90%，则已经经过两个转换级的3.3 V的能量仅具有81%的效率（0.9 × 0.9 = 0.81）。这种相当低的效率在系统中是否可以容忍？这取决于该3.3 V电源轨所需的电流。如果只需要几mA的电流，低效率可能根本不是问题。然而，对于较高的电流，这种较低的效率可能会对整体系统效率产生更大的影响，因此是一个很大的缺点。

然而，从刚才提到的考虑因素来看，您不能得出一般结论，即一步到位地从较高的电源电压直接转换为较低的输出电压总是更好的。可以处理较高输入电压的电压转换器通常更昂贵，并且当输入电压和输出电压之间存在较大差异时，效率会降低。

在电源设计中，寻找最佳架构的解决方案是使用LTpowerPlanner等架构工具。它可从ADI公司免费获得，是LTpowerCAD开发环境的一部分，可以本地安装在您的计算机上。LTpowerPlanner是一种工具，可以快速轻松地评估不同的架构。®®

最终确定规范

最终确定规格在电源设计中非常重要。所有其他开发步骤都取决于规范。通常，在电子系统的其余部分完全设计之前，电源的精确要求是未知的。这通常会导致电源设计开发的时间限制增加。在以后的开发阶段，规范也经常发生变化。例如，如果在最终编程中，FPGA需要额外的功率，则必须降低DSP的电压以节省能源，或者必须避免最初预期的1 MHz开关频率，因为它耦合到信号路径中。这种变化会对架构产生非常严重的影响，特别是对电源的电路设计。

规范通常在早期阶段采用。此规范应设计为尽可能灵活，以便相对容易实现任何更改。在这方面，选择多功能集成电路是有帮助的。使用开发工具特别有价值。这允许在短时间内重新计算电源。通过这种方式，可以更轻松地实施规格更改，最重要的是，可以更快地实施。

该规范包括可用能量、输入电压、最大输入电流以及要产生的电压和电流。其他考虑因素包括尺寸、财务预算、散热、EMC要求（包括传导和辐射行为）、预期负载瞬变、电源电压变化和安全性。

LTpowerPlanner作为优化辅助工具

LTpowerPlanner提供了创建电源系统架构所需的所有功能。它操作非常简单，可以快速开发概念。

定义输入能源，然后添加单个负载或电力用电。接下来添加单独的DC-DC转换器模块。这些可以是开关稳压器或低压差（LDO）线性稳压器。所有组件都可以分配自己的名称。存储预期的转换效率以用于效率计算。

使用LTpowerPlanner有两个很大的好处。首先，简单的架构计算可以确定对整体效率最有利的各个转换阶段的配置。图2显示了相同电压轨的两种不同架构。底部架构的整体效率略高于顶部架构的整体效率。如果没有详细的计算，这个属性是不明显的。当使用LTpowerPlanner时，这种差异立即显现出来。

LTpowerPlanner的第二个好处是它提供了组织良好的文档。图形用户界面提供了简洁的架构草图，这是一种视觉辅助工具，在与同事讨论和记录开发工作时非常有用。文档可以存储为纸质硬拷贝或数字文件。

图2.两种相互竞争的架构，每种架构都有效率计算。

电源设计步骤2：为每个DC-DC转换器选择集成电路

在设计当今的电源时，使用集成电路，而不是具有许多独立组件的分立电路。市场上有许多不同的开关稳压器IC和线性稳压器。所有这些都针对一个特定属性进行了优化。有趣的是，所有集成电路都是不同的，只有在极少数情况下才能互换。因此，选择集成电路成为一个非常重要的步骤。一旦选择了集成电路，该电路的属性在设计过程的其余部分都是固定的。后来，如果事实证明不同的IC更适合，则重新开始整合新IC的努力。这种开发工作可能非常耗时，但可以通过使用设计工具轻松缓解。

使用工具对于有效选择集成电路至关重要。analog.com 上的参数搜索适用于此。在LTpowerCAD中搜索组件可以更加高效。图 3 显示了搜索窗口。

图3.利用LTpowerCAD寻找合适的开关稳压器IC。

图4.用于电源的LTpowerCAD计算工具。

要使用搜索工具，只需输入几个规格。例如，您可以输入输入电压、输出电压和所需的负载电流。根据这些规范，LTpowerCAD生成推荐的解决方案列表。可以输入其他条件以进一步缩小搜索范围。例如，在“特性”类别中，您可以从使能引脚或电流隔离等特性中进行选择，以查找合适的DC-DC转换器。

电源设计步骤3：单个DC-DC转换器的电路设计

第3步是电路设计。需要为所选的开关稳压器IC选择外部无源元件。在此步骤中对电路进行了优化。通常，这需要彻底研究数据手册并执行所有必需的计算。全面的设计工具LTpowerCAD可以大大简化电源设计的这一步，并且可以进一步优化结果。

LTpowerCAD作为强大的计算工具

LTpowerCAD由ADI公司开发，旨在大大简化电路设计。它不是一个模拟工具，而是一个计算工具。它建议在很短的时间内根据输入的规格优化外部组件。转换效率可以优化。还计算了控制回路的传递函数。这使得实现最佳控制带宽和稳定性变得容易。

在LTpowerCAD中打开开关稳压器IC后，主屏幕显示典型电路以及所有必要的外部元件。图 4 以 LTC3310S 的屏幕为例。这是一款降压型开关稳压器，输出电流高达10 A，开关频率高达5 MHz。

屏幕上的黄色字段显示计算值或指定的值。用户可以使用蓝色字段配置设置。

选择外部组件

LTpowerCAD能够可靠地模拟实际电路的行为，因为计算基于外部组件的详细模型，而不仅仅是理想值。LTpowerCAD包括来自多家制造商的大型集成电路模型数据库。例如，考虑电容器的等效串联电阻（ESR）和线圈的磁芯损耗。要选择外部组件，请单击蓝色的外部组件，如图 4 所示。将打开一个新窗口，显示一长串可能的组件。例如，图5显示了推荐的输出电容列表。本例显示了来自不同制造商的 88 种不同电容器的选择。您还可以退出推荐组件列表并选择“全部显示”选项，从各种 4660 多种电容器中进行选择。

此列表不断扩展和更新。虽然LTpowerCAD是一种离线工具，不需要访问互联网，但定期软件更新（使用更新功能）将确保集成开关稳压器IC和外部元件数据库保持最新状态。

图5.用于 LTC3310S 的不同输出电容器的列表框。

检查转换效率

一旦选择了最佳的外部元件，就可以使用损耗估算和击穿按钮检查开关稳压器的转换效率。

然后显示效率和损耗的精确图表。此外，IC中达到的结温可以根据外壳的热阻计算。图6显示了转换效率和热行为的计算页面。

一旦您对电路响应感到满意，就可以转到下一组计算。如果效率不理想，可以改变开关稳压器的开关频率（见图6左侧），或者改变外部线圈的选择。然后重新计算效率，直到获得令人满意的结果。

优化控制带宽并检查稳定性

选择外部元件并计算效率后，优化控制回路。环路的设置必须使电路可靠稳定，不易振荡甚至不稳定，同时提供高带宽，即能够响应输入电压的变化，特别是负载瞬变。LTpowerCAD中的稳定性注意事项可以在Loop Comp.和Load Transient 选项卡中找到。除了波特图和负载瞬变后输出电压响应曲线外，还有许多设置选项。

图6.电路的效率计算和热响应。

图7.使用LTpowerCAD设置控制环路。

“使用建议补偿”按钮是最重要的。在这种情况下，使用优化的补偿，用户无需深入研究控制工程来调整任何参数。图7显示了设置控制环路时的LTpowerCAD屏幕。

在LTpowerCAD中执行的稳定性计算是其架构的亮点。计算在频域中执行，并且非常快，比时域中的仿真快得多。因此，可以试用更改参数，并在几秒钟内提供更新的波特图。对于时域仿真，这将需要数分钟甚至数小时。

检查 EMC 响应并添加过滤器

根据规格，开关稳压器的输入或输出端可能需要额外的滤波器。在这方面，经验不足的电源开发人员尤其面临巨大挑战。出现以下问题：必须如何选择滤波器组件以确保输出端有一定的电压纹波？是否需要输入滤波器，如果需要，该滤波器必须如何设计以将传导辐射保持在某些EMC限值以下？在这方面，滤波器和开关稳压器之间的相互作用在任何情况下都不得导致不稳定。

图8显示了输入EMI滤波器设计，它是LTpowerCAD中的一个子工具。这可以从优化外部无源元件的第一页访问。启动滤波器设计器会弹出使用无源IC和EMC图的滤波器设计。此图绘制了带或不带输入滤波器且在各种EMC规范（如CISPR 25、CISPR 22或MIL-STD-461G）的适当限值内的传导干扰。

频域中的滤波器特性和滤波器阻抗也可以图形方式显示在输入传导EMC响应图示旁边。这对于确保滤波器的总谐波失真不会太高，并且滤波器阻抗与开关稳压器的阻抗相匹配非常重要。阻抗匹配问题会导致滤波器和电压转换器之间不稳定。

这些详细的考虑因素可以在LTpowerCAD中解释，不需要深入的知识。使用“使用建议值”按钮，筛选器设计是自动化的。

当然，LTpowerCAD还支持在开关稳压器的输出端使用滤波器。该滤波器通常用于输出电压仅允许具有非常低的输出电压纹波的应用。要在输出电压路径中添加滤波器，请单击“环路补偿和负载瞬态”页面上的LC滤波器图标。单击此图标后，筛选器将出现在新窗口中，如图 9 所示。过滤器的参数可以在这里轻松选择。反馈回路可以连接在这个附加滤波器的前面或后面。在这里，尽管输出电压的直流精度非常好，但可以在所有工作模式下确保电路的稳定响应。

图8.LTpowerCAD中的滤波器设计器，用于最小化开关稳压器输入端的传导干扰。

图9.在开关控制器的输出端选择LC滤波器以减少电压纹波。

电源设计步骤4：时域电路仿真

一旦您使用LTpowerCAD完全设计了电路，仿真它就是最重要的成就。仿真通常在时域中运行。根据时间检查单个信号。不同电路的相互作用也可以在印刷电路板上测试。还可以将寄生效应集成到仿真中。这样，模拟结果变得非常准确，但模拟时间更长。

通常，仿真适用于在实现实际硬件之前收集其他信息。了解电路仿真的潜力和限制非常重要。仅使用仿真可能无法找到最佳电路。在仿真过程中，可以修改参数并重新开始仿真。但是，如果用户不是设计电路的专家，则可能很难确定正确的参数，然后对其进行优化。因此，仿真用户并不总是清楚电路是否已经达到最佳状态。像LTpowerCAD这样的计算工具更适合这个目的。

使用LTspice仿真电源

ADI公司的LTspice是一款功能强大的电路仿真程序。由于其易用性、扩展的用户支持网络、优化选项以及高质量、可靠的仿真结果，它被全球硬件开发人员广泛使用。此外，LTspice是免费的，可以很容易地安装在个人计算机上。®

LTspice基于SPICE计划，该计划起源于加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学系。首字母缩略词SPICE代表以集成电路为重点的仿真程序。该程序的许多商业版本都可用。虽然最初基于伯克利的SPICE，但LTspice在电路收敛和仿真速度方面提供了相当大的改进。LTspice的其他功能包括电路图编辑器和波形查看器。两者都操作直观，即使对于初学者也是如此。这些功能还为有经验的用户提供了极大的灵活性。

LTspice被设计为简单易用。该程序可在 analog.com 下载，包括一个非常大的数据库，其中包含ADI公司几乎所有功率IC的仿真模型以及外部无源元件。如前所述，一旦安装，LTspice就可以离线运行。但是，定期更新将确保加载最新型号的开关稳压器和外部组件。

要开始初始仿真，请在 analog.com 电源产品的产品文件夹中选择一个LTspice电路（例如，LT8650S评估板）。这些通常是可用评估板的合适电路。通过双击模拟产品特定产品文件夹中的相关LTspice链接。com，LTspice将在您的PC上本地启动完整的电路。它包括运行仿真所需的所有外部组件和预设。然后，单击流道图标（如图 10 所示）开始仿真。

仿真后，可以使用波形查看器访问电路的所有电压和电流。图11显示了电路斜坡上升时输出电压和输入电压的典型图示。

SPICE仿真主要适用于详细了解电源电路，以便在构建硬件时不会出现不必要的意外。也可以使用LTspice来改变和优化电路。此外，还可以模拟开关稳压器与印刷电路板上电路其他部分的相互作用。这对于发现相互依赖关系特别有用。例如，可以在一次运行中同时仿真多个开关稳压器。这延长了模拟时间，但在这种情况下可以检查某些交互。

最后，LTspice是当今IC开发人员使用的极其强大和可靠的工具。ADI公司的许多IC都是在该工具的帮助下开发的

图 10.采用LTspice的LTC3310S仿真电路。

图 11.采用LTspice的LTC3310S电路的仿真结果。

电源设计步骤 5：测试硬件

虽然自动化工具在电源设计中具有有价值的用途，但下一步是执行基本的硬件评估。开关稳压器在以非常高速率切换的电流下工作。由于电路的寄生效应，特别是印刷电路板布局的寄生效应，这些开关电流会导致电压偏移，从而产生辐射。这种效应可以使用LTspice来模拟。但是，要做到这一点，您需要有关寄生属性的精确信息。大多数情况下，此信息不可用。您必须做出许多假设，这些假设会降低模拟结果的值。因此，必须完成彻底的硬件评估。

印刷电路板布局——重要组件

印刷电路板布局通常称为组件.它非常关键，例如，不可能像使用面包板那样使用跳线来操作开关稳压器进行测试。主要是，电流切换路径中的寄生电感会导致电压偏移，从而使工作变得不可能。一些电路也可能因电压过高而损坏。

支持创建最佳印刷电路板布局.开关稳压器IC的相应数据手册通常提供有关参考印刷电路板布局的信息。对于大多数应用程序，可以使用此建议的布局。

在指定温度范围内评估硬件

在电源设计过程中，要考虑转换效率，以确定开关稳压器IC是否在允许的温度范围内工作。但是，在预期的温度限制下测试硬件非常重要。开关稳压器IC甚至外部元件在允许的温度范围内都会改变其额定值。在使用LTspice进行仿真时，可以很容易地考虑这些温度效应。但是，这样的模拟仅与给定的参数一样好。如果这些参数具有实际值，LTspice可以执行蒙特卡罗分析，从而获得所需的结果。在许多情况下，通过物理测试评估硬件仍然更实用。

电磁干扰和电磁兼容注意事项

在系统设计的后期阶段，硬件必须通过电磁干扰和兼容性（EMI和EMC）测试。虽然这些测试必须通过真实的硬件，但仿真和计算工具在收集见解方面非常有用。在硬件测试之前，可以评估不同的方案。当然，涉及一些通常不会在仿真中建模的寄生效应，但可以获得与这些测试参数相关的一般性能趋势。此外，从此类仿真中获得的数据可以提供在初始EMC测试未通过的情况下快速对硬件进行修改所需的见解。由于EMC测试成本高昂且耗时，因此在早期设计阶段使用LTspice或LTpowerCAD等软件有助于在测试前获得更准确的结果，从而加快整体电源设计过程并降低成本。

总结

可用于电源设计的工具已经变得非常复杂和强大，足以满足复杂系统的需求。LTpowerCAD和LTspice是具有简单易用界面的高性能工具。因此，这些工具对于具有任何专业知识水平的设计师来说都是无价的。从经验丰富的开发人员到经验不足的任何人都可以使用这些程序来开发日常电源。

令人震惊的是，仿真功能已经发展了多少。使用适当的工具可以帮助您比以往更快地构建可靠、复杂的电源。

审核编辑：郭婷