如何快速高效的实现电源设计？

电源设计通常很复杂，特别是因为它们通常需要多个输出电压轨。但是，即使对于经验不足的设计人员，使用当前可用的设计工具也可以使开发变得更快、更容易。在本文中，工程师介绍了如何通过一些工具来设计电源。

实现电源的最佳设计很重要，但也很复杂。没有单一的典型应用，而大多数系统需要多个直流电源轨。尽管还无法实现电源设计的全面自动化，但新手和专业电源设计人员都可以从半自动化设计工具的可用性中受益。

步骤一：创建电源架构

此步骤首先开发目标电源的简单框图，显示输入电压，以及所需的输出电压轨及其值。一般而言，经典的降压开关降压转换器对于从（例如）24V转换为5V很有意义，但是3.3V或其他较低电压轨应该直接从24V输入产生，还是应该从5V转换器输出？

这个决定很重要，因为它会影响设计的效率——这一直是当今电源的一个重要考虑因素。然而，这并不明显；使用中间转换器会增加逆变器对供应链的低效率，但替代方案——可以直接处理更宽输入到输出电压的电压转换器，这通常更昂贵，效率也会降低。

一种可用的解决方案包括LTpowerPlanner，它是其LTpowerCAD开发环境的一部分。该工具可以解决此类问题，同时可以快速轻松地评估不同的架构。它可以创建一个电源架构，允许可用能量、输入电压、最大输入电流以及要生成的电压和电流。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。该工具还允许设计人员快速适应系统设计的后期更改；例如，需要更多功率的重新编程的FPGA。

步骤二：为每个DC-DC转换器选择集成电路

今天的电源设计使用集成电路而不是多个分立元件。然而，市场上提供了许多不同的开关稳压器IC和线性稳压器，所有这些都针对一种特定属性进行了优化。因此，除非使用像LTpowerCAD这样的工具来处理所需的重新计算，否则在初始设计后更改设备可能具有挑战性。

LTpowerCAD还允许对其集成电路数据库进行参数搜索，并根据输入电压、输出电压和所需负载电流等输入标准提供选择。还可以指定其他功能，例如“启用”引脚或电流隔离。

步骤三：围绕各个DC-DC转换器的电路设计

一旦选择了转换器IC，就可以通过选择合适的外部无源元件来构建和优化电源电路。使用LTpowerCAD设计工具可以大大简化所需的分析和计算。该工具可以根据输入的规格推荐外部组件，从而优化转换效率。它还计算控制环传递函数，从而简化最佳控制带宽和稳定性的实现。

在LTpowerCAD中执行的稳定性计算是其架构的一大亮点。在频域中执行的计算比时域模拟快得多。因此，可以在试验的基础上更改参数，并在几秒钟内提供更新的波特图。

在时域中运行模拟需要几分钟甚至几小时。此外，可以在所有工作模式下确保稳定的电路响应以及非常好的输出电压直流精度。

此后，该工具可以可靠地模拟真实电路的行为，因为计算基于外部组件的详细模型，而不仅仅是理想值。例如，考虑了电容器的等效串联电阻（ESR）和线圈的磁芯损耗。

某些设计可能需要额外的转换器输入和输出滤波器。必须选择滤波器组件以确保可接受的电压输出纹波，而输入滤波器必须将传导辐射保持在指定的EMC限制以下。此外，滤波器和开关稳压器之间的相互作用绝不能导致不稳定。

步骤四：在时域中仿真整个电路

一旦电路设计完成，就可以使用类似ADI公司的LTSpice之类的工具在时域中仿真整个电源，该工具基于加州大学伯克利分校的SPICE程序。根据时间检查各个信号。还可以在印刷电路板上测试不同电路的相互作用。此外，可以将寄生效应集成到仿真中。这使得仿真结果非常准确，但仿真时间较长。

第五步：测试硬件

虽然自动化工具对于电源设计很有价值，但硬件测试仍然必不可少。转换器使用具有非常高开关速率的电流。由于电路的寄生效应，尤其是来自印刷电路板（PCB）布局，这些开关电流会导致电压偏移，从而产生辐射。

但是，支持创建最佳PCB布局。开关稳压器IC的数据表通常提供参考设计的信息。对于大多数应用程序，可以使用这种建议的布局。

测试硬件达到其预期的温度限制也很重要。虽然可以模拟由温度相关的元件值变化引起的温度效应，但模拟结果仅与指定参数一样好。因此，通常希望通过物理测试来评估硬件。

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。虽然这些测试必须使用真实硬件通过，但模拟和计算工具在收集见解方面非常有用。由于EMC测试成本高且耗时，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。