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使用半自動化工具改進電源設計——實現快速高效設計的五個步驟

作者:Frederik Dostal,ADI 公司電源管理高級現場應用工程師時間:2021-08-30來源:電子產品世界收藏


本文引用地址:http://www.hifi-yinxiang.com/article/202108/427896.htm

簡介

由于沒有典型的應用,設計正確的電源既重要又復雜。雖然尚未完全實現電源設計的自動化,但目前已存在一系列半自動化工具。本文通過電源設計過程的五個關鍵步驟詳細介紹如何使用半自動化設計工具。這些工具對于電源設計工程師新手和專家都很有價值。

電源設計第1步:創建電源架構

創建合適的電源架構是電源設計的決定性步驟。此步驟通過增加所需電壓軌的數量而變得更加復雜。此時決定是否需要創建中間電路電壓以及創建多少。圖1所示為電源的典型方框圖。左側顯示工業應用的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。生成單個電壓的最佳方法是什么?要從24 V轉換為5 V,最好選擇經典的降壓開關轉換器。但是,如何生成其他電壓呢?從已創建的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?回答這些問題需要進一步分析。由于電源的一個重要特性是轉換效率,在選擇架構時盡可能保持高效率非常重要。

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圖1 創建電源架構

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的電能必須已經通過了兩個轉換級。每個轉換級都只能實現有限的效率。例如,假設每個轉換級的轉換效率為90%,則已通過兩個轉換級的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,因此是一個很大的劣勢。

然而,從上述考慮來看,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。可處理較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,效率也會降低。

在電源設計中,可以使用LTpowerPlanner?等架構工具來尋找最佳架構。此工具可從ADI公司免費獲取,它屬于LTpowerCAD?開發環境的一部分,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。所有其他開發步驟都取決于這個規格。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。這通常會給電源設計開發又增加了一層時間限制。規格在開發階段后期也經常會發生改變。例如,如果在最終編程設計時發現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開關頻率,因為它會耦合到信號路徑中。這種更改會對架構產生非常嚴重的影響,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,這樣更改起來會相對容易。在這一方面,選擇多功能集成電路很有幫助,使用開發工具尤其有用。這樣可以在短時間內重新計算電源。通過這種方式,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、財務預算、散熱、EMC要求(包括傳導和輻射行為)、預期負載瞬態、電源電壓變化和安全性。

LTpowerPlanner作為優化輔助工具

LTpowerPlanner提供創建電源系統架構所需的所有必要功能。它操作非常簡單,因此可以快速進行概念開發。

先定義輸入能源,再添加單個負載或用電設備。然后添加單個DC-DC轉換器模塊。可以是開關穩壓器或低壓差(LDO)線性穩壓器。所有組件均可指定自己的名稱。存儲預期轉換效率用于計算整體效率。

使用LTpowerPlanner有兩大優勢。首先,通過簡單的架構計算,可以確定對整體效率有利的各個轉換級的配置。圖2所示為相同電壓軌的兩個不同架構。底部架構的整體效率略高于頂部架構。不進行詳細計算的話,這一點并不明顯。而使用LTpowerPlanner時,立即會顯現這種差異。

LTpowerPlanner的第二個優勢是提供條理清晰的文檔。圖形用戶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發工作時會非常有用。文檔可以存儲為紙質拷貝或數字文件。

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圖2 兩個均具有效率計算功能的競爭架構

電源設計第2步:為每個DC-DC轉換器選擇集成電路

如今在設計電源時,都使用集成電路而非具有很多獨立組件的分立電路。市場上有許多不同的開關穩壓器IC和線性穩壓器。它們都針對某一種特定的特性進行優化。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,在后續設計過程中,該電路的特性固定不變。如果后面發現其他IC更適合,則需要重新開始整合新的IC。這種開發工作可能非常耗時,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重要。在analog.com上進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。輸入額外條件可進一步縮小搜索范圍。例如,在“Optional Features”類別中,可從使能引腳或電氣隔離等特性中進行選擇,查找合適的DC-DC轉換器。

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圖3 使用LTpowerCAD搜索合適的開關穩壓器IC

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圖4 LTpowerCAD電源計算工具

電源設計第3步:單個DC-DC轉換器的電路設計

第3步是電路設計。需要為所選的開關穩壓器IC選擇外部無源元件。在此步驟中對電路進行優化。這通常需要仔細研究數據手冊,并進行所有必需的計算。使用綜合設計工具LTpowerCAD可極大地簡化電源設計的這一步驟,并可進一步優化結果。

LTpowerCAD作為強大的計算工具

LTpowerCAD由ADI公司開發,旨在簡化電路設計。它不是仿真工具,而是計算工具。它可以根據輸入的規格,在很短的時間內提供有關優化的外部元件的建議。可優化轉換效率。也可計算控制環路的傳遞函數。這有助于輕松地有效控制帶寬和穩定性。

在LTpowerCAD中打開開關穩壓器IC后,主屏幕將會顯示具有所有必需外部元件的典型電路。圖4顯示了以LTC3310S 為例的主屏幕。 此降壓開關穩壓器的輸出電流高達10 A,開關頻率高達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際電路的行為。Ltpower包括一個大型數據庫,其中包含多個制造商的集成電路模型。例如,電容的等效串聯電阻(ESR)和線圈的磁芯損耗都會考慮在內。要選擇外部元件,可點擊圖4所示的藍色外部元件。將打開一個新窗口,顯示一長串可能適用的元件。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多種電容中進行選擇。

此列表還在不斷擴大和更新。盡管LTpowerCAD是一個離線工具,不需要連接互聯網,但定期更新軟件(使用更新功能)將確保集成開關穩壓器IC和外部元件數據庫始終保持最新。

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圖5 LTC3310S不同輸出電容的列表框

檢查轉換效率

選擇最優外部元件后,可使用Loss Estimate & Break Down(損耗估計和分解)按鈕檢查開關穩壓器的轉換效率。

然后會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面。

對電路響應滿意后,可進行下一組計算。如果效率不理想,可更改開關穩壓器的開關頻率(見圖6左側),或更改所選的外部線圈。然后會重新計算效率,直至獲得滿意的結果。

優化控制帶寬并檢查穩定性

選擇外部元件并計算效率后,控制環路得到優化。必須通過環路設置確保電路可靠穩定,在提供高帶寬時不會出現振蕩甚至不穩定的情況,也就是說,能夠對輸入電壓變化做出響應,特別是對負載瞬態做出響應。在LTpowerCAD中,可通過Loop Comp.& Load Transient(環路補償和負載瞬態)選項卡考慮穩定性因素。除了波特圖和負載瞬態后的輸出電壓響應曲線外,還有許多設置選項。

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圖6 電路的效率計算和熱響應

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圖7 在LTpowerCAD中設置控制環路

Use Suggested Compensation(使用建議補償)按鈕最重要。在這種情況下,可使用優化補償,用戶無需深入了解控制工程即可調整任何參數。圖7顯示設置控制環路時的LTpowerCAD屏幕。

在LTpowerCAD中執行穩定性計算是此架構的一個亮點。計算在頻域中執行,速度很快,比時域仿真快得多。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。而時域仿真通常需要很多分鐘甚至數小時。

檢查EMC響應并添加濾波器

根據規格,在開關穩壓器的輸入或輸出端可能需要額外的濾波器。尤其是缺乏經驗的電源開發人員將會面臨巨大挑戰。他們需要解決以下問題: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關穩壓器之間的交互導致不穩定。

圖8所示[LL1] 為Input EMI Filter Design,這是LTpowerCAD中的一個子工具。可從優化外部無源元件的第一個頁面訪問此工具。啟動此濾波器設計工具將顯示使用無源IC和EMC圖的濾波器設計。該圖繪制了具有或沒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。

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圖8 LTpowerCAD中用于最大限度地減少開關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太高,以及濾波器阻抗與開關穩壓器阻抗相匹配是很重要的。阻抗匹配問題會導致濾波器和電壓轉換器之間不穩定。

LTpowerCAD中會考慮這些具體因素,不需要深入了解這些知識。使用Use Suggested Values(使用建議值)按鈕,可自動提供濾波器設計。

當然,LTpowerCAD也支持在開關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(環路補償和負載瞬態)頁面上的LC濾波器圖標。單擊此圖標后,將通過新窗口顯示一個濾波器,如圖9所示。可在此處輕松選擇該濾波器的參數。反饋環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。

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圖9 在開關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:在時域中仿真電路

使用LTpowerCAD完成電路設計后,接下來的仿真極其重要。通常在時域中進行仿真。根據時間檢查各個信號。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,但仿真時間更長。

一般而言,仿真適合在實施真實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。僅通過仿真可能無法找到最優電路。在仿真過程中,可修改參數并重新啟動仿真。但是,如果用戶不是電路設計專家,則很難確定正確的參數,再進行優化。因此,仿真用戶未必始終清楚電路是否已經達到了最佳狀態。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,具有擴展的用戶支持網絡、優化選項,并可提供優質可靠的仿真結果,因而在全球范圍內被硬件開發人員廣泛使用。此外,LTspice是免費的,并可輕松安裝在個人計算機上。

LTspice基于SPICE程序,該程序誕生于加州大學伯克利分校的電氣工程與計算機科學系。SPICE是集成電路仿真程序的首字母縮寫。該程序的許多商業版本都是可用的。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行了相當大的改進。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,即使對初學者也是如此。這些功能也為經驗豐富的用戶提供了很大的靈活性。

LTspice設計簡單,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源元件。如前所述,LTspice安裝后即可離線使用。但是,定期更新可確保加載開關穩壓器和外部元件的最新模型。

要啟動初始仿真,可在analog.com上的電源產品文件夾中選擇一個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上的特定產品文件夾中,雙擊相關LTspice鏈接,LTspice將在您的PC上本地啟動完整電路。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仿真。

仿真后,可使用波形查看器訪問電路的所有電壓和電流。圖11顯示了電路上升時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,這樣在構建硬件時就不會出現意外。也可使用LTspice更改和優化電路。此外,還可仿真開關穩壓器與印刷電路板上其他電路部件的交互。這對發現相互依賴關系特別有用。例如,一次可同時仿真多個開關穩壓器。這會延長仿真時間,但也可以檢查某些交互作用。

最后,LTspice是目前IC開發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都是借助此工具開發出來的。

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圖10 使用LTspice生成的LTC3310S仿真電路

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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。開關穩壓器以非常高的速率開關電流。由于電路(特別是印刷電路板布局)的寄生效應,這些開關電流引起的電壓偏置會產生輻射。可使用LTspice對此類效應進行仿真。但是,要做到這一點,需要有關寄生特性的精確信息。大多數情況下無法獲取這些信息。您必須做出許多假設,這些假設會降低仿真結果的值。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為一種元件。它很重要,例如,它無法像試驗板一樣,通過跳線來操作開關穩壓器進行測試。主要是因為開關電流的路徑中的寄生電感會導致電壓偏置,從而無法這樣操作。有些電路也可能因電壓過高而損壞。

LTspice支持創建最佳印刷電路板布局。開關穩壓器IC數據手冊通常提供有關參考印刷電路板布局的信息。對于大多數應用,可使用這個建議的布局。

在指定溫度范圍內評估硬件

在電源設計過程中,可通過轉換效率來確定開關穩壓器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。開關穩壓器IC甚至外部元件的額定值在允許的溫度范圍內會發生變化。在使用LTspice進行仿真的過程中,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,通過物理測試評估硬件仍更具實用性。

EMI和EMC考量

在系統設計的后期階段,硬件必須通過電磁干擾和兼容性(EMI和EMC)測試。雖然這些測試必須使用真實硬件進行,但仿真和計算工具對于收集見解信息非常有用。可以在硬件測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在仿真中建模,但可以獲取與這些測試參數相關的一般性能趨勢。此外,從這類仿真中獲得的數據可提供必要的見解,以便在初始EMC測試未通過的情況下,快速對硬件進行修改。由于EMC測試成本高、時間長,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,從而加快整個電源設計過程并降低成本。

總結

適用于電源設計的工具已變得非常復雜且強大,足以滿足復雜系統的需求。LTpowerCAD和LTspice是具有簡單易用界面的高性能工具。因此,這些工具對于任何專業水平的設計人員都會大有幫助。不管是經驗豐富的開發人員,還是經驗不足的新手都可以使用這些程序進行日常電源開發。

仿真功能的發展程度令人震驚。使用適當的工具可以幫助您更快地構建先進可靠的電源。

作者簡介

Frederik Dostal 曾就讀于德國埃爾蘭根大學微電子學專業。他于2001年開始工作,涉足電源管理業務,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,負責開關模式電源。他于2009年加入ADI公司,并在慕尼黑ADI公司擔任電源管理現場應用工程師。


 [LL1]文章中圖8在圖9后面



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