設計正確的電源既重要又復雜，因為沒有一個典型的應用。雖然電源設計的完全自動化尚未實現，但目前已有全面的半自動化工具。本文通過電源設計過程的五個關鍵步驟詳細介紹了半自動設計工具的使用。這些工具對于新手和專家電源設計工程師都很有價值。

電源設計步驟 1：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。通過增加所需的電壓軌數量，此步驟變得更加復雜。此時，決定是否需要創建中間電路電壓以及需要創建多少中間電路電壓。圖1顯示了電源的典型框圖。工業應用的24 V電源電壓如左圖所示。該電壓現在必須轉換為5 V、3.3 V、1.8 V、1.2 V和0.9 V，并具有相應的電流。產生單個電壓的最佳方法是什么？選擇經典的降壓開關（降壓）轉換器對于從24 V轉換為5 V最有意義。但是，如何產生其他電壓？從已經創建的5 V產生3.3 V是否有意義，或者我們應該直接從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，因此在選擇架構時保持盡可能高的效率非常重要。

圖1.創建電源架構。

如果使用中間電壓（例如圖1所示示例中的5 V）產生額外的電壓，則用于3.3 V的能量必須已經經過兩個轉換級。每個轉換階段的效率有限。例如，如果假設每個轉換級的轉換效率為90%，則已經經過兩個轉換級的3.3 V的能量僅具有81%的效率（0.9 × 0.9 = 0.81）。這種相當低的效率在系統中是否可以容忍？這取決于該3.3 V電源軌所需的電流。如果只需要幾mA的電流，低效率可能根本不是問題。然而，對于較高的電流，這種較低的效率可能會對整體系統效率產生更大的影響，因此是一個很大的缺點。

然而，從剛才提到的考慮因素來看，您不能得出一般結論，即一步到位地從較高的電源電壓直接轉換為較低的輸出電壓總是更好的?？梢蕴幚磔^高輸入電壓的電壓轉換器通常更昂貴，并且當輸入電壓和輸出電壓之間存在較大差異時，效率會降低。

在電源設計中，尋找最佳架構的解決方案是使用LTpowerPlanner等架構工具。它可從ADI公司免費獲得，是LTpowerCAD開發環境的一部分，可以本地安裝在您的計算機上。LTpowerPlanner是一種工具，可以快速輕松地評估不同的架構。??

最終確定規范

最終確定規格在電源設計中非常重要。所有其他開發步驟都取決于規范。通常，在電子系統的其余部分完全設計之前，電源的精確要求是未知的。這通常會導致電源設計開發的時間限制增加。在以后的開發階段，規范也經常發生變化。例如，如果在最終編程中，FPGA需要額外的功率，則必須降低DSP的電壓以節省能源，或者必須避免最初預期的1 MHz開關頻率，因為它耦合到信號路徑中。這種變化會對架構產生非常嚴重的影響，特別是對電源的電路設計。

規范通常在早期階段采用。此規范應設計為盡可能靈活，以便相對容易實現任何更改。在這方面，選擇多功能集成電路是有幫助的。使用開發工具特別有價值。這允許在短時間內重新計算電源。通過這種方式，可以更輕松地實施規格更改，最重要的是，可以更快地實施。

該規范包括可用能量、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）、預期負載瞬變、電源電壓變化和安全性。

LTpowerPlanner作為優化輔助工具

LTpowerPlanner提供了創建電源系統架構所需的所有功能。它操作非常簡單，可以快速開發概念。

定義輸入能源，然后添加單個負載或電力用電。接下來添加單獨的DC-DC轉換器模塊。這些可以是開關穩壓器或低壓差（LDO）線性穩壓器。所有組件都可以分配自己的名稱。存儲預期的轉換效率以用于效率計算。

使用LTpowerPlanner有兩個很大的好處。首先，簡單的架構計算可以確定對整體效率最有利的各個轉換階段的配置。圖2顯示了相同電壓軌的兩種不同架構。底部架構的整體效率略高于頂部架構的整體效率。如果沒有詳細的計算，這個屬性是不明顯的。當使用LTpowerPlanner時，這種差異立即顯現出來。

LTpowerPlanner的第二個好處是它提供了組織良好的文檔。圖形用戶界面提供了簡潔的架構草圖，這是一種視覺輔助工具，在與同事討論和記錄開發工作時非常有用。文檔可以存儲為紙質硬拷貝或數字文件。

圖2.兩種相互競爭的架構，每種架構都有效率計算。

電源設計步驟2：為每個DC-DC轉換器選擇集成電路

在設計當今的電源時，使用集成電路，而不是具有許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。所有這些都針對一個特定屬性進行了優化。有趣的是，所有集成電路都是不同的，只有在極少數情況下才能互換。因此，選擇集成電路成為一個非常重要的步驟。一旦選擇了集成電路，該電路的屬性在設計過程的其余部分都是固定的。后來，如果事實證明不同的IC更適合，則重新開始整合新IC的努力。這種開發工作可能非常耗時，但可以通過使用設計工具輕松緩解。

使用工具對于有效選擇集成電路至關重要。analog.com 上的參數搜索適用于此。在LTpowerCAD中搜索組件可以更加高效。圖 3 顯示了搜索窗口。

圖3.利用LTpowerCAD尋找合適的開關穩壓器IC。

圖4.用于電源的LTpowerCAD計算工具。

要使用搜索工具，只需輸入幾個規格。例如，您可以輸入輸入電壓、輸出電壓和所需的負載電流。根據這些規范，LTpowerCAD生成推薦的解決方案列表。可以輸入其他條件以進一步縮小搜索范圍。例如，在“特性”類別中，您可以從使能引腳或電流隔離等特性中進行選擇，以查找合適的DC-DC轉換器。

電源設計步驟3：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了優化。通常，這需要徹底研究數據手冊并執行所有必需的計算。全面的設計工具LTpowerCAD可以大大簡化電源設計的這一步，并且可以進一步優化結果。

LTpowerCAD作為強大的計算工具

LTpowerCAD由ADI公司開發，旨在大大簡化電路設計。它不是一個模擬工具，而是一個計算工具。它建議在很短的時間內根據輸入的規格優化外部組件。轉換效率可以優化。還計算了控制回路的傳遞函數。這使得實現最佳控制帶寬和穩定性變得容易。

在LTpowerCAD中打開開關穩壓器IC后，主屏幕顯示典型電路以及所有必要的外部元件。圖 4 以 LTC3310S 的屏幕為例。這是一款降壓型開關穩壓器，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的值。用戶可以使用藍色字段配置設置。

選擇外部組件

LTpowerCAD能夠可靠地模擬實際電路的行為，因為計算基于外部組件的詳細模型，而不僅僅是理想值。LTpowerCAD包括來自多家制造商的大型集成電路模型數據庫。例如，考慮電容器的等效串聯電阻（ESR）和線圈的磁芯損耗。要選擇外部組件，請單擊藍色的外部組件，如圖 4 所示。將打開一個新窗口，顯示一長串可能的組件。例如，圖5顯示了推薦的輸出電容列表。本例顯示了來自不同制造商的 88 種不同電容器的選擇。您還可以退出推薦組件列表并選擇“全部顯示”選項，從各種 4660 多種電容器中進行選擇。

此列表不斷擴展和更新。雖然LTpowerCAD是一種離線工具，不需要訪問互聯網，但定期軟件更新（使用更新功能）將確保集成開關穩壓器IC和外部元件數據庫保持最新狀態。

圖5.用于 LTC3310S 的不同輸出電容器的列表框。

檢查轉換效率

一旦選擇了最佳的外部元件，就可以使用損耗估算和擊穿按鈕檢查開關穩壓器的轉換效率。

然后顯示效率和損耗的精確圖表。此外，IC中達到的結溫可以根據外殼的熱阻計算。圖6顯示了轉換效率和熱行為的計算頁面。

一旦您對電路響應感到滿意，就可以轉到下一組計算。如果效率不理想，可以改變開關穩壓器的開關頻率（見圖6左側），或者改變外部線圈的選擇。然后重新計算效率，直到獲得令人滿意的結果。

優化控制帶寬并檢查穩定性

選擇外部元件并計算效率后，優化控制回路。環路的設置必須使電路可靠穩定，不易振蕩甚至不穩定，同時提供高帶寬，即能夠響應輸入電壓的變化，特別是負載瞬變。LTpowerCAD中的穩定性注意事項可以在Loop Comp.和Load Transient 選項卡中找到。除了波特圖和負載瞬變后輸出電壓響應曲線外，還有許多設置選項。

圖6.電路的效率計算和熱響應。

圖7.使用LTpowerCAD設置控制環路。

“使用建議補償”按鈕是最重要的。在這種情況下，使用優化的補償，用戶無需深入研究控制工程來調整任何參數。圖7顯示了設置控制環路時的LTpowerCAD屏幕。

在LTpowerCAD中執行的穩定性計算是其架構的亮點。計算在頻域中執行，并且非?？欤葧r域中的仿真快得多。因此，可以試用更改參數，并在幾秒鐘內提供更新的波特圖。對于時域仿真，這將需要數分鐘甚至數小時。

檢查 EMC 響應并添加過濾器

根據規格，開關穩壓器的輸入或輸出端可能需要額外的濾波器。在這方面，經驗不足的電源開發人員尤其面臨巨大挑戰。出現以下問題：必須如何選擇濾波器組件以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，該濾波器必須如何設計以將傳導輻射保持在某些EMC限值以下？在這方面，濾波器和開關穩壓器之間的相互作用在任何情況下都不得導致不穩定。

圖8顯示了輸入EMI濾波器設計，它是LTpowerCAD中的一個子工具。這可以從優化外部無源元件的第一頁訪問。啟動濾波器設計器會彈出使用無源IC和EMC圖的濾波器設計。此圖繪制了帶或不帶輸入濾波器且在各種EMC規范（如CISPR 25、CISPR 22或MIL-STD-461G）的適當限值內的傳導干擾。

頻域中的濾波器特性和濾波器阻抗也可以圖形方式顯示在輸入傳導EMC響應圖示旁邊。這對于確保濾波器的總諧波失真不會太高，并且濾波器阻抗與開關穩壓器的阻抗相匹配非常重要。阻抗匹配問題會導致濾波器和電壓轉換器之間不穩定。

這些詳細的考慮因素可以在LTpowerCAD中解釋，不需要深入的知識。使用“使用建議值”按鈕，篩選器設計是自動化的。

當然，LTpowerCAD還支持在開關穩壓器的輸出端使用濾波器。該濾波器通常用于輸出電壓僅允許具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，請單擊“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，篩選器將出現在新窗口中，如圖 9 所示。過濾器的參數可以在這里輕松選擇。反饋回路可以連接在這個附加濾波器的前面或后面。在這里，盡管輸出電壓的直流精度非常好，但可以在所有工作模式下確保電路的穩定響應。

圖8.LTpowerCAD中的濾波器設計器，用于最小化開關穩壓器輸入端的傳導干擾。

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。

電源設計步驟4：時域電路仿真

一旦您使用LTpowerCAD完全設計了電路，仿真它就是最重要的成就。仿真通常在時域中運行。根據時間檢查單個信號。不同電路的相互作用也可以在印刷電路板上測試。還可以將寄生效應集成到仿真中。這樣，模擬結果變得非常準確，但模擬時間更長。

通常，仿真適用于在實現實際硬件之前收集其他信息。了解電路仿真的潛力和限制非常重要。僅使用仿真可能無法找到最佳電路。在仿真過程中，可以修改參數并重新開始仿真。但是，如果用戶不是設計電路的專家，則可能很難確定正確的參數，然后對其進行優化。因此，仿真用戶并不總是清楚電路是否已經達到最佳狀態。像LTpowerCAD這樣的計算工具更適合這個目的。

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。由于其易用性、擴展的用戶支持網絡、優化選項以及高質量、可靠的仿真結果，它被全球硬件開發人員廣泛使用。此外，LTspice是免費的，可以很容易地安裝在個人計算機上。?

LTspice基于SPICE計劃，該計劃起源于加州大學伯克利分校電氣工程和計算機科學系。首字母縮略詞SPICE代表以集成電路為重點的仿真程序。該程序的許多商業版本都可用。雖然最初基于伯克利的SPICE，但LTspice在電路收斂和仿真速度方面提供了相當大的改進。LTspice的其他功能包括電路圖編輯器和波形查看器。兩者都操作直觀，即使對于初學者也是如此。這些功能還為有經驗的用戶提供了極大的靈活性。

LTspice被設計為簡單易用。該程序可在 analog.com 下載，包括一個非常大的數據庫，其中包含ADI公司幾乎所有功率IC的仿真模型以及外部無源元件。如前所述，一旦安裝，LTspice就可以離線運行。但是，定期更新將確保加載最新型號的開關穩壓器和外部組件。

要開始初始仿真，請在 analog.com 電源產品的產品文件夾中選擇一個LTspice電路（例如，LT8650S評估板）。這些通常是可用評估板的合適電路。通過雙擊模擬產品特定產品文件夾中的相關LTspice鏈接。com，LTspice將在您的PC上本地啟動完整的電路。它包括運行仿真所需的所有外部組件和預設。然后，單擊流道圖標（如圖 10 所示）開始仿真。

仿真后，可以使用波形查看器訪問電路的所有電壓和電流。圖11顯示了電路斜坡上升時輸出電壓和輸入電壓的典型圖示。

SPICE仿真主要適用于詳細了解電源電路，以便在構建硬件時不會出現不必要的意外。也可以使用LTspice來改變和優化電路。此外，還可以模擬開關穩壓器與印刷電路板上電路其他部分的相互作用。這對于發現相互依賴關系特別有用。例如，可以在一次運行中同時仿真多個開關穩壓器。這延長了模擬時間，但在這種情況下可以檢查某些交互。

最后，LTspice是當今IC開發人員使用的極其強大和可靠的工具。ADI公司的許多IC都是在該工具的幫助下開發的

圖 10.采用LTspice的LTC3310S仿真電路。

圖 11.采用LTspice的LTC3310S電路的仿真結果。

電源設計步驟 5：測試硬件

雖然自動化工具在電源設計中具有有價值的用途，但下一步是執行基本的硬件評估。開關穩壓器在以非常高速率切換的電流下工作。由于電路的寄生效應，特別是印刷電路板布局的寄生效應，這些開關電流會導致電壓偏移，從而產生輻射。這種效應可以使用LTspice來模擬。但是，要做到這一點，您需要有關寄生屬性的精確信息。大多數情況下，此信息不可用。您必須做出許多假設，這些假設會降低模擬結果的值。因此，必須完成徹底的硬件評估。

印刷電路板布局——重要組件

印刷電路板布局通常稱為組件.它非常關鍵，例如，不可能像使用面包板那樣使用跳線來操作開關穩壓器進行測試。主要是，電流切換路徑中的寄生電感會導致電壓偏移，從而使工作變得不可能。一些電路也可能因電壓過高而損壞。

支持創建最佳印刷電路板布局.開關穩壓器IC的相應數據手冊通常提供有關參考印刷電路板布局的信息。對于大多數應用程序，可以使用此建議的布局。

在指定溫度范圍內評估硬件

在電源設計過程中，要考慮轉換效率，以確定開關穩壓器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非常重要。開關穩壓器IC甚至外部元件在允許的溫度范圍內都會改變其額定值。在使用LTspice進行仿真時，可以很容易地考慮這些溫度效應。但是，這樣的模擬僅與給定的參數一樣好。如果這些參數具有實際值，LTspice可以執行蒙特卡羅分析，從而獲得所需的結果。在許多情況下，通過物理測試評估硬件仍然更實用。

電磁干擾和電磁兼容注意事項

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。雖然這些測試必須通過真實的硬件，但仿真和計算工具在收集見解方面非常有用。在硬件測試之前，可以評估不同的方案。當然，涉及一些通常不會在仿真中建模的寄生效應，但可以獲得與這些測試參數相關的一般性能趨勢。此外，從此類仿真中獲得的數據可以提供在初始EMC測試未通過的情況下快速對硬件進行修改所需的見解。由于EMC測試成本高昂且耗時，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。

總結

可用于電源設計的工具已經變得非常復雜和強大，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，這些工具對于具有任何專業知識水平的設計師來說都是無價的。從經驗豐富的開發人員到經驗不足的任何人都可以使用這些程序來開發日常電源。

令人震驚的是，仿真功能已經發展了多少。使用適當的工具可以幫助您比以往更快地構建可靠、復雜的電源。

審核編輯：郭婷