【導(dǎo)讀】幾乎所有電子系統(tǒng)的運(yùn)行都離不開可靠的供電方案。對(duì)于硬件工程師而言，電源架構(gòu)規(guī)劃、器件選型、電路優(yōu)化等環(huán)節(jié)往往是罪耗費(fèi)時(shí)間精力的。為破解這一痛點(diǎn)，業(yè)界經(jīng)過長(zhǎng)期技術(shù)沉淀，形成了一套覆蓋電源設(shè)計(jì)全流程的工具體系。其中，ADI公司推出的系列電源工具尤為突出，這些工具可分為五大類——電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具、電源計(jì)算工具、數(shù)字電源配置工具、電路仿真工具及硬件評(píng)估工具，各模塊協(xié)同發(fā)力，為工程師打造了高效便捷的設(shè)計(jì)路徑。
電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具
系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具幫助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的電源架構(gòu)。大多數(shù)電子系統(tǒng)需要不止一個(gè)電源，通常需要五個(gè)或更多不同電源。借助ADI公司的LTpowerPlanner?工具，設(shè)計(jì)人員可以繪制出電路中所有不同電源轉(zhuǎn)換步驟的簡(jiǎn)單框圖。這些步驟可以在易于使用的圖形用戶界面中進(jìn)行修改。每個(gè)電源模塊都可以設(shè)置預(yù)期的電源轉(zhuǎn)換效率，用戶只需點(diǎn)擊幾下鼠標(biāo)就能得到電源架構(gòu)的總效率。圖1顯示了這樣一個(gè)框圖的屏幕截圖，計(jì)算得出的總效率為86.3%。
這款工具能夠幫助用戶作出關(guān)于電源架構(gòu)的基礎(chǔ)決策。它通過選擇具有特定效率的DC-DC轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)可接受的總電源轉(zhuǎn)換效率。此外，它還能作出并記錄系統(tǒng)級(jí)決策，例如時(shí)序控制要求和能力。
圖1使用LTpowerPlanner開發(fā)的電源架構(gòu)框圖
電源計(jì)算工具
利用LTpowerPlanner為特定應(yīng)用開發(fā)出合適的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，我們便要專注于特定的DC-DC轉(zhuǎn)換器，以設(shè)計(jì)和優(yōu)化電路。對(duì)于這一設(shè)計(jì)步驟，最佳的輔助工具是LTpowerCAD?。用戶可以從ADI網(wǎng)站免費(fèi)下載該工具，并將其安裝在本地計(jì)算機(jī)上。僅當(dāng)更新軟件或精確計(jì)算電感磁芯損耗時(shí)，才需要網(wǎng)絡(luò)連接。安裝并啟動(dòng)LTpowerCAD后，用戶就可以從參數(shù)搜索窗口中選擇現(xiàn)有電源轉(zhuǎn)換器IC。鍵入輸入電壓范圍、所需的輸出電壓和輸出電流以及其他具體要求（如電源良好引腳、頻率同步能力或數(shù)字接口）之后，該工具就會(huì)顯示合適元器件的列表。然后，用戶從列表中選擇一個(gè)解決方案，隨即會(huì)打開一個(gè)設(shè)計(jì)窗口，其中包含外部元件的建議值。接著，從來自多家供應(yīng)商的大量真實(shí)電感或電容元件中選擇所需的元件，然后利用這些元件完成優(yōu)化電路的所有計(jì)算，包括電路效率、穩(wěn)定性考慮以及電源轉(zhuǎn)換器輸入端或輸出端的額外濾波要求。
使用該工具時(shí)，如果選擇的元件值遠(yuǎn)低于或高于電路計(jì)算的建議值，則會(huì)顯示警告消息。
圖2顯示了LTpowerCAD中用于優(yōu)化設(shè)計(jì)的主窗口。黃色框顯示工具計(jì)算出的值，藍(lán)色框允許用戶輸入值。使用此工具設(shè)計(jì)開關(guān)電源電路非常簡(jiǎn)單。
圖2LTpowerCAD中用于選擇開關(guān)電源外部元件的選項(xiàng)卡
圖3顯示了LTpowerCAD中的一個(gè)獨(dú)特功能：電磁干擾(EMI)濾波器設(shè)計(jì)工具。用戶可在LTpowerCAD的主電路界面中訪問此工具，點(diǎn)擊后將打開一個(gè)專用濾波器設(shè)計(jì)器窗口。這個(gè)濾波器設(shè)計(jì)器非常適合用于確定電源是否需要特殊的輸入濾波器來滿足某些傳導(dǎo)EMI規(guī)范，例如CISPR 22/CISPR 32、CISPR 25或MIL-STD-461G輻射標(biāo)準(zhǔn)。它會(huì)繪制電源轉(zhuǎn)換器本身的輻射圖，并推薦適當(dāng)?shù)妮斎攵藶V波器，以將傳導(dǎo)輻射衰減到可接受的水平。除了這些主要任務(wù)之外，它還會(huì)繪制濾波器傳遞函數(shù)（濾波器衰減）和濾波器阻抗圖。適當(dāng)?shù)臑V波器阻抗對(duì)于確保DC-DC轉(zhuǎn)換器和濾波器的組合保持穩(wěn)定非常重要。
圖3.LTpowerCAD中的EMI濾波器設(shè)計(jì)工具，用于設(shè)計(jì)濾波器以減少電源輸入端的傳導(dǎo)輻射
數(shù)字電源設(shè)置工具
有些電源是數(shù)字型。當(dāng)然，1和0無(wú)法為負(fù)載供電。我們所說的數(shù)字電源是指電源穩(wěn)壓器IC內(nèi)的數(shù)字電路，用于控制電路參數(shù)、讀取有關(guān)電源活動(dòng)的信息（遙測(cè)）、在數(shù)字域中運(yùn)行完整的控制回路等。雖然需要付出更大的努力來快速準(zhǔn)確地將信號(hào)數(shù)字化，但也因此具備了以數(shù)字化方式調(diào)整控制回路的能力。
評(píng)估數(shù)字電源時(shí)，我們需要一個(gè)軟件工具來與電源通信，并對(duì)基于狀態(tài)機(jī)的器件進(jìn)行各種設(shè)置。為此，用戶可以下載免費(fèi)的LTpowerPlay?工具。它提供圖形用戶界面，能夠全面控制數(shù)字電源。通常，該軟件使用USB轉(zhuǎn)I2C (PMBus?)接口與硬件通信。圖4顯示了LTpowerPlay的主窗口，在其中可以選擇不同的設(shè)置，并輪詢和顯示電源信息。
LTpowerPlay數(shù)字電源工具可以在仿真模式下作為獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)行，即使未連接任何硬件也無(wú)妨。通過這種方式，用戶可以快速了解數(shù)字電源IC，而無(wú)需花時(shí)間閱讀冗長(zhǎng)的數(shù)據(jù)手冊(cè)。
圖4.利用LTpowerPlay對(duì)數(shù)字電源集成電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)置
電路仿真工具
市面上有許多電路仿真工具，其中最受歡迎的一款仿真工具是LTspice?。它是一款完整的SPICE仿真器，具有直觀的原理圖輸入工具、符號(hào)生成器和波形查看器。它免費(fèi)使用，功能先進(jìn)，并針對(duì)開關(guān)電源仿真進(jìn)行了優(yōu)化。與一些SPICE仿真器相比，LTspice的開關(guān)電源仿真速度更快。此外，LTspice的新特性持續(xù)增加，運(yùn)行速度不斷提升。
電路仿真工具是對(duì)LTpowerCAD等電路計(jì)算工具的有效補(bǔ)充。在仿真工具中，用戶可以更靈活地修改電路、添加濾波器等電路部分，還可以將多個(gè)電源組合成一個(gè)大系統(tǒng)，檢查多個(gè)電源如何相互影響。
LTspice 17.1版引入了頻率響應(yīng)分析(FRA)，能夠快速、輕松地生成電源調(diào)節(jié)環(huán)路的波特圖。LTspice 24版添加了特殊FRA探針，支持繪制調(diào)節(jié)環(huán)路的部分傳遞函數(shù)圖。LTspice 24.1.8版引入了繪制奈奎斯特圖和標(biāo)準(zhǔn)波特圖的功能。圖5顯示了LTspice中一款隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器的電源管理電路原理圖。
除LTspice外，ADI公司還支持SIMPLIS?，并提供許多器件模型。用戶可以在OASIS環(huán)境中，從ADI網(wǎng)站免費(fèi)下載有限節(jié)點(diǎn)版本的SIMPLIS。SIMPLIS是一款分段線性系統(tǒng)仿真工具，它在仿真開關(guān)電源時(shí)速度極快。OASIS仿真環(huán)境則是包含SIMPLIS的離線模擬仿真器。
圖5.LTspice是一款非常流行的仿真工具，具備一些特殊功能，例如用于電源的新FRA功能
硬件評(píng)估工具
盡管計(jì)算與仿真工具能大幅提升設(shè)計(jì)可靠性，但真實(shí)硬件的性能驗(yàn)證仍是不可或缺的環(huán)節(jié)。借助上述工具充分準(zhǔn)備電路，可以縮短硬件評(píng)估時(shí)間，但仍需進(jìn)行實(shí)際的硬件搭建與檢查。為了減少實(shí)驗(yàn)評(píng)估所需時(shí)間，我們推出了一個(gè)名為L(zhǎng)TpowerAnalyzer的新電源評(píng)估環(huán)境。它包含一套硬件，通過ADALM2000套件連接到PC。ADALM2000是一款袖珍示波器和信號(hào)發(fā)生器，能夠控制LTpowerAnalyzer。圖6顯示了連接到被測(cè)設(shè)計(jì)(DUT)開關(guān)電源板的LTpowerAnalyzer的設(shè)置。
圖6.LTpowerAnalyzer幫助進(jìn)行硬件評(píng)估
該硬件評(píng)估工具可以繪制電源的波特圖。它能夠?qū)Ω哌_(dá)100 A的負(fù)載瞬變進(jìn)行生命周期負(fù)載瞬變測(cè)試。它還能繪制電源的輸出阻抗圖，從而有助于判斷電源是否兼容復(fù)雜（電感或電容性）負(fù)載。
這款工具以合理價(jià)格在ADI官網(wǎng)發(fā)售。配套的LTpowerAnalyzer軟件操作簡(jiǎn)便。更支持與LTpowerCAD實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)接——將軟件計(jì)算的波特圖與硬件實(shí)測(cè)結(jié)果在同一窗口中對(duì)比顯示，使設(shè)計(jì)值與實(shí)際性能的差異一目了然，便于將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況進(jìn)行比較。圖7屏幕截圖顯示了使用LTpowerAnalyzer軟件進(jìn)行的波特圖測(cè)量。
圖7.LTpowerAnalyzer軟件能夠輕松地對(duì)電源進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估
從架構(gòu)設(shè)計(jì)到硬件驗(yàn)證，ADI電源工具鏈形成完整閉環(huán)。各工具精準(zhǔn)銜接，既簡(jiǎn)化了電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜流程，又保障了方案的可靠性與高效性。這套工具鏈無(wú)疑是硬件工程師的得力伙伴，助力其在電源開發(fā)中精準(zhǔn)決策、高效創(chuàng)新，為電子系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行筑牢根基。
