使用半自動化工具改善電源設計—實現快速高效設計的五個步驟

作者：ADI 現場應用工程師Frederik Dostal


簡介

由於沒有典型的應用，因此設計正確的電源既重要且複雜。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。本文透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。這些工具對於電源設計工程師新手和專家都相當具有價值。

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。此步驟透過增加所需電壓軌的數量而變得更加複雜。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，並提供相應的電流。產生單個電壓的最佳方法是什麼？要從24 V轉換為5 V，最好選擇經典的降壓切換轉換器。但是，如何產生其他電壓呢？從已創建的5 V產生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。由於電源的一個重要特性是轉換效率，因此選擇架構時盡可能保持高效率也是非常重要的環節。

Figure 1. Creating a power supply architecture.
圖1.創建電源架構。

如果中間電壓（如圖1示例中的5 V）用於產生其他電壓，則用於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？這取決於該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，對於更高的電流，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，並不能由此得出結論：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®等架構工具來尋找優質架構。此工具可從ADI免費獲取，它屬於LTpowerCAD®開發環境的一部分，可以安裝在您的電腦上。利用LTpowerPlanner工具，可快速輕鬆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於這個規格。通常，在電子系統的其餘部分設計完成之前，電源的精度要求是未知的。這通常會針對電源設計開發增加一層時間限制。規格在開發階段後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切換頻率，因為它會耦合到訊號路徑中。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採用。此規格應設計得盡可能彈性，如此更改時會相對容易。在這一方面，選擇多功能積體電路很有幫助，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。透過這種方式，可更輕鬆，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產生的電壓和電流。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，再增加單一負載或用電設備。然後增加單一DC-DC轉換器模組。可以是切換穩壓器或低壓差(LDO)線性穩壓器。所有元件均可指定自己的名稱。儲存預期轉換效率用於計算整體效率。

使用LTpowerPlanner有兩大優勢。首先，透過簡單的架構計算，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於頂部架構。不進行詳細計算的話，這一點並不明顯。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。圖形化使用者介面可提供清晰的架構草圖，此視覺化工具在與同事討論和記錄開發工作時會非常有用。文檔可以儲存為紙本或數位檔。

Figure 2. Two competing architectures with the efficiency calculation for each.
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轉換器選擇積體電路

如今在設計電源時，都使用積體電路而非具有很多獨立元件的分立電路。市場上有許多不同的切換穩壓器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，所有積體電路都各不相同，並且只有在極少數情況下才可以互換。因此，選擇積體電路是非常重要的一步。一旦選定了積體電路，在後續設計過程中，該電路的特性固定不變。如果後面發現其他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。

使用工具對於有效選擇積體電路至關重要。在 analog.com 上進行參數搜尋就可以使用這種工具。在LTpowerCAD中搜尋組件的效率甚至更高。圖3所示為搜尋介面。

 

Figure 3. Searching for suitable switching regulator ICs with LTpowerCAD.
圖3.使用LTpowerCAD搜尋合適的切換穩壓器IC。

 

 

Figure 4. LTpowerCAD calculating tool for a power supply.
圖4.LTpowerCAD電源計算工具。

 

要使用此搜尋工具，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產生建議解決方案列表。輸入額外條件可進一步縮小搜尋範圍。例如，在「Optional Features」類別中，可從使能接腳或電氣隔離等特性中進行選擇，查詢合適的DC-DC轉換器。

電源設計第3步：單一DC-DC轉換器的電路設計

第3步是電路設計。需要為所選的切換穩壓器IC選擇外部被動元件。在此步驟中對電路進行優化。這通常需要仔細研究資料手冊，並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，並可進一步優化結果。

LTpowerCAD作為強大的計算工具

LTpowerCAD由ADI開發，旨在簡化電路設計。它不是模擬工具，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。也可計算控制迴路的傳遞函數。這有助於輕鬆地有效控制頻寬和穩定性。

在LTpowerCAD中打開切換穩壓器IC後，主螢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 為例的主螢幕。 此降壓切換穩壓器的輸出電流高達10 A，切換頻率高達5 MHz。

螢幕上的黃色欄位顯示計算值或指定值。使用者可使用藍色欄位配置設定。

選擇外部元件

LTpowerCAD基於詳細的外部元件模型，而不只是理想值計算，因此能夠可靠地模擬實際電路的行為。Ltpower包括一個大型資料庫，其中包含多個製造商的積體電路模型。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。將打開一個新視窗，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製造商的88種不同電容。也可退出推薦元件清單並選擇Show all（顯示全部）選項，從4660多種電容中進行選擇。

此列表仍在不斷擴大和更新。儘管LTpowerCAD是一個離線工具，不需要連接網路，但定期更新軟體（使用更新功能）將確保整合切換穩壓器IC和外部元件資料庫始終保持較新。

Figure 5. List box for different output capacitors for the LTC3310S.
圖5.LTC3310S不同輸出電容的清單列表。

檢查轉換效率

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

然後會顯示效率和損耗的精準圖表。此外，還可基於外殼的熱阻計算IC中達到的接面溫度。圖6所示為轉換效率和熱行為的計算頁面。

對電路回應滿意後，可進行下一組計算。如果效率不理想，可更改切換穩壓器的切換頻率（見圖6左側），或更改所選的外部線圈。然後會重新計算效率，直至獲得滿意的結果。

優化控制頻寬並檢查穩定性

選擇外部元件並計算效率後，控制迴路得到優化。必須透過迴路設定確保電路可靠穩定，在提供高頻寬時不會出現振盪甚至不穩定的情況，也就是說，能夠對輸入電壓變化做出回應，特別是對負載瞬態做出回應。在LTpowerCAD中，可透過Loop Comp.& Load Transient（迴路補償和負載瞬態）選項卡考慮穩定性因素。除了波特圖和負載瞬態後的輸出電壓回應曲線外，還有許多設定選項。

Figure 6. Efficiency calculation and thermal response of the circuit.
圖6.電路的效率計算和熱響應。
Figure 7. Setting the control loop with LTpowerCAD.
圖7.在LTpowerCAD中設定控制迴路。

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，使用者無需深入瞭解控制工程即可調整任何參數。圖7顯示設定控制迴路時的LTpowerCAD螢幕。

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，比時域模擬快得多。因此，可以在試驗基礎上更改參數，並在幾秒鐘內提供更新的波特圖。而時域模擬通常需要好幾分鐘甚至數小時。

檢查EMC回應並增加濾波器

根據規格，在切換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，才能使傳導輻射低於一定的EMC限制？在這方面，在任何情況下都不允許濾波器和切換穩壓器之間的交互導致不穩定。

圖8所示為Input EMI Filter Design，這是LTpowerCAD中的一個子工具。可從優化外部被動元件的第一個頁面瀏覽此工具。啟動此濾波器設計工具將顯示使用被動IC和EMC圖的濾波器設計。該圖繪製了具有或沒有輸入濾波器的情況下的傳導干擾，並且都在各種EMC規範（如CISPR 25、CISPR 22或MIL-STD-461G）的適當限制範圍內。

頻域中的濾波器特性和濾波器阻抗也可在輸入傳導EMC回應的圖示旁邊以圖形方式顯示。這對於確保濾波器的總諧波失真不會太高，以及濾波器阻抗與切換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，不需要深入瞭解這些知識。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也支援在切換穩壓器的輸出端使用濾波器。此濾波器通常用於輸出電壓只允許有非常低的輸出電壓漣波的應用。要在輸出電壓路徑中增加濾波器，可按一下Loop Comp.& Load Transient（迴路補償和負載瞬態）頁面上的LC濾波器圖示。按一下此圖示後，將透過新視窗顯示一個濾波器，如圖9所示。可在此處輕鬆選擇該濾波器的參數。回饋迴路既可連接在此附加濾波器的前面，也可連接在其後面。在這裡，儘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回應。

Figure 8. The filter designer in LTpowerCAD for minimizing conducted interference at the input of a switching regulator.
圖8.LTpowerCAD中大幅地減少切換穩壓器輸入端傳導干擾的濾波器設計工具。
Figure 9. Selecting an LC filter at the output of a switching controller to reduce voltage ripple.
圖9.在切換控制器的輸出端選擇LC濾波器以減少電壓漣波。

電源設計第4步：在時域中模擬電路

使用LTpowerCAD完成電路設計後，接下來的模擬極其重要。通常在時域中進行模擬。根據時間檢查各個訊號。也可在印刷電路板上測試不同電路的交互。還可將寄生效應整合到模擬中。這樣，模擬結果變得非常準確，但模擬時間更長。

一般而言，模擬適合在實施真實硬體之前收集額外的資訊。瞭解電路模擬的電位和限值很重要。僅透過模擬可能無法找到最優電路。在模擬過程中，可修改參數並重新啟動模擬。但是，如果使用者不是電路設計專家，則很難確定正確的參數，再進行優化。因此，模擬使用者未必始終清楚電路是否已經達到了較佳狀態。LTpowerCAD等計算工具更適合達成此目的。

使用LTspice模擬電源

ADI的LTspice®是一款功能強大的電路模擬程式。它易於使用，具有擴展的使用者支援網路、優化選項，並可提供優質可靠的模擬結果，因而在全球範圍內被硬體開發人員廣泛使用。此外，LTspice是免費的，並可輕鬆安裝在個人電腦上。

LTspice基於SPICE程式，該程式誕生於加州大學伯克利分校的電氣工程與電腦科學系。SPICE是積體電路模擬程式的首字母縮寫。該程式的許多商業版本都是可用的。雖然最初基於柏克萊分校的SPICE，但LTspice在電路的收斂性和模擬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檢視器。這兩種工具的操作都很直覺，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彈性。

LTspice設計簡單，易於使用。該程式可在 analog.com下載，其中的大型資料庫包含ADI幾乎所有電源IC的模擬模型以及外部被動元件。如前所述，LTspice安裝後即可離線使用。但是，定期更新可確保載入切換穩壓器和外部元件的最新模型。

要啟動初始模擬，可在analog.com上的電源產品資料夾中選擇一個LTspice電路（例如，LT8650S evaluation board）。這些通常是適合可用評估板的電路。在analog. com的特定產品資料夾中，按兩下相關LTspice連結，LTspice將在您的PC上啟動完整電路。其中包括運行模擬所需的所有外部元件和預設。然後，按一下圖10所示的運行程式圖示以啟動模擬。

模擬後，可使用波形檢視器瀏覽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模擬主要適用於詳細瞭解電源電路，這樣在建構硬體時就不會出現意外。也可使用LTspice更改和優化電路。此外，還可模擬切換穩壓器與印刷電路板上其他電路零件的交互。這對發現相互依賴關係特別實用。例如，一次可同時模擬多個切換穩壓器。這會延長模擬時間，但也可以檢查某些交互作用。

最後，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的很多IC都是藉由此工具開發出來的。

Figure 10. Simulation circuit of an LTC3310S using LTspice.
圖10.使用LTspice產生的LTC3310S模擬電路。
Figure 11. Simulation result of an LTC3310S circuit using LTspice.
圖11.使用LTspice得到的LTC3310S電路模擬結果。

電源設計第5步：硬體測試

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體評估。切換穩壓器以非常高的速率切換電流。由於電路（特別是印刷電路板佈局）的寄生效應，這些切換電流引起的電壓偏置會產生輻射。可使用LTspice對此類效應進行模擬。但是，要做到這一點，需要有關寄生特性的精確資訊。大多數情況下無法獲取這些資訊。您必須做出許多假設，這些假設會降低模擬結果的值。因此，必須完成全面硬體評估。

印刷電路板佈局——重要元件

印刷電路板佈局通常稱為一種元件。它很重要，例如，它無法像試驗板一樣，透過跳線來操作切換穩壓器進行測試。主要是因為切換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支援創建優質印刷電路板佈局。切換穩壓器IC資料手冊通常提供有關參考印刷電路板佈局的資訊。對於大多數應用，可使用這個建議的佈局。

在指定溫度範圍內評估硬體

在電源設計過程中，可透過轉換效率來確定切換穩壓器IC是否在允許的溫度範圍內工作。但是，在預期的溫度限制下測試硬體很重要。切換穩壓器IC甚至外部元件的額定值在允許的溫度範圍內會發生變化。在使用LTspice進行模擬的過程中，可以輕鬆地考慮這些溫度影響。但是，這樣的模擬與給定參數一樣好。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，透過物理測試評估硬體仍更具實用性。

EMI和EMC考量

在系統設計的後期階段，硬體必須通過電磁干擾和相容性（EMI和EMC）測試。雖然這些測試必須使用真實硬體進行，但模擬和計算工具對於收集見解資訊非常有用。可以在硬體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模擬中建模，但可以獲取與這些測試參數相關的一般性能趨勢。此外，從這類模擬中獲得的資料可提供必要的見解，以便在初始EMC測試未通過的情況下，快速對硬體進行修改。由於EMC測試成本高、時間長，在早期設計階段使用LTspice或LTpowerCAD等軟體有助於在測試前獲得更準確的結果，從而加快整個電源設計過程並降低成本。

總結

適用於電源設計的工具已變得非常複雜且強大，足以滿足複雜系統的需求。LTpowerCAD和LTspice是具有簡單易用介面的高性能工具。因此，這些工具對於任何專業水準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式進行日常電源開發。

模擬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建構先進可靠的電源。

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