電源設計通常很復雜，特別是因為它們通常需要多個輸出電壓軌。但是，即使對于經(jīng)驗不足的設計人員，使用當前可用的設計工具也可以使開發(fā)變得更快、更容易。在本文中，英銳恩單片機開發(fā)工程師介紹了如何通過一些工具來設計電源。

實現(xiàn)電源的最佳設計很重要，但也很復雜。沒有單一的典型應用，而大多數(shù)系統(tǒng)需要多個直流電源軌。盡管還無法實現(xiàn)電源設計的全面自動化，但新手和專業(yè)電源設計人員都可以從半自動化設計工具的可用性中受益。

步驟一：創(chuàng)建電源架構

此步驟首先開發(fā)目標電源的簡單框圖，顯示輸入電壓，以及所需的輸出電壓軌及其值。一般而言，經(jīng)典的降壓開關降壓轉換器對于從（例如）24V轉換為5V很有意義，但是3.3V或其他較低電壓軌應該直接從24V輸入產(chǎn)生，還是應該從5V轉換器輸出？

這個決定很重要，因為它會影響設計的效率——這一直是當今電源的一個重要考慮因素。然而，這并不明顯；使用中間轉換器會增加逆變器對供應鏈的低效率，但替代方案——可以直接處理更寬輸入到輸出電壓的電壓轉換器，這通常更昂貴，效率也會降低。

一種可用的解決方案包括LTpowerPlanner，它是其LTpowerCAD開發(fā)環(huán)境的一部分。該工具可以解決此類問題，同時可以快速輕松地評估不同的架構。它可以創(chuàng)建一個電源架構，允許可用能量、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）、預期負載瞬變、電源電壓變化和安全性。該工具還允許設計人員快速適應系統(tǒng)設計的后期更改；例如，需要更多功率的重新編程的FPGA。

步驟二：為每個DC-DC轉換器選擇集成電路

今天的電源設計使用集成電路而不是多個分立元件。然而，市場上提供了許多不同的開關穩(wěn)壓器IC和線性穩(wěn)壓器，所有這些都針對一種特定屬性進行了優(yōu)化。因此，除非使用像LTpowerCAD這樣的工具來處理所需的重新計算，否則在初始設計后更改設備可能具有挑戰(zhàn)性。

LTpowerCAD還允許對其集成電路數(shù)據(jù)庫進行參數(shù)搜索，并根據(jù)輸入電壓、輸出電壓和所需負載電流等輸入標準提供選擇。還可以指定其他功能，例如“啟用”引腳或電流隔離。

步驟三：圍繞各個DC-DC轉換器的電路設計

一旦選擇了轉換器IC，就可以通過選擇合適的外部無源元件來構建和優(yōu)化電源電路。使用LTpowerCAD設計工具可以大大簡化所需的分析和計算。該工具可以根據(jù)輸入的規(guī)格推薦外部組件，從而優(yōu)化轉換效率。它還計算控制環(huán)傳遞函數(shù)，從而簡化最佳控制帶寬和穩(wěn)定性的實現(xiàn)。

在LTpowerCAD中執(zhí)行的穩(wěn)定性計算是其架構的一大亮點。在頻域中執(zhí)行的計算比時域模擬快得多。因此，可以在試驗的基礎上更改參數(shù)，并在幾秒鐘內提供更新的波特圖。

在時域中運行模擬需要幾分鐘甚至幾小時。此外，可以在所有工作模式下確保穩(wěn)定的電路響應以及非常好的輸出電壓直流精度。

此后，該工具可以可靠地模擬真實電路的行為，因為計算基于外部組件的詳細模型，而不僅僅是理想值。例如，考慮了電容器的等效串聯(lián)電阻(ESR)和線圈的磁芯損耗。

某些設計可能需要額外的轉換器輸入和輸出濾波器。必須選擇濾波器組件以確?？山邮艿碾妷狠敵黾y波，而輸入濾波器必須將傳導輻射保持在指定的EMC限制以下。此外，濾波器和開關穩(wěn)壓器之間的相互作用絕不能導致不穩(wěn)定。

步驟四：在時域中仿真整個電路

一旦電路設計完成，就可以使用類似ADI公司的LTSpice之類的工具在時域中仿真整個電源，該工具基于加州大學伯克利分校的SPICE程序。根據(jù)時間檢查各個信號。還可以在印刷電路板上測試不同電路的相互作用。此外，可以將寄生效應集成到仿真中。這使得仿真結果非常準確，但仿真時間較長。

第五步：測試硬件

雖然自動化工具對于電源設計很有價值，但硬件測試仍然必不可少。轉換器使用具有非常高開關速率的電流。由于電路的寄生效應，尤其是來自印刷電路板(PCB)布局，這些開關電流會導致電壓偏移，從而產(chǎn)生輻射。

但是，支持創(chuàng)建最佳PCB布局。開關穩(wěn)壓器IC的數(shù)據(jù)表通常提供參考設計的信息。對于大多數(shù)應用程序，可以使用這種建議的布局。

測試硬件達到其預期的溫度限制也很重要。雖然可以模擬由溫度相關的元件值變化引起的溫度效應，但模擬結果僅與指定參數(shù)一樣好。因此，通常希望通過物理測試來評估硬件。

在系統(tǒng)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通過，但模擬和計算工具在收集見解方面非常有用。由于EMC測試成本高且耗時，因此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，從而加快整體電源設計過程并降低成本。

以上就是英銳恩單片機開發(fā)工程師分享的“電子產(chǎn)品開發(fā)：快速高效電源設計的五個步驟”。英銳恩專注單片機應用方案設計與開發(fā)，提供8位單片機、16位單片機、32位單片機。