使用半自動化工具改進電源設(shè)計——實現(xiàn)快速高效設(shè)計的五個步驟
發(fā)布時間:2021-03-17 來源:Frederik Dostal 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】由于沒有典型的應(yīng)用,設(shè)計正確的電源既重要又復(fù)雜。雖然尚未完全實現(xiàn)電源設(shè)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(shè)計過程的五個關(guān)鍵步驟詳細(xì)介紹如何使用半自動化設(shè)計工具。這些工具對于電源設(shè)計工程師新手和專家都很有價值。
電源設(shè)計第1步:創(chuàng)建電源架構(gòu)
創(chuàng)建合適的電源架構(gòu)是電源設(shè)計的決定性步驟。此步驟通過增加所需電壓軌的數(shù)量而變得更加復(fù)雜。此時決定是否需要創(chuàng)建中間電路電壓以及創(chuàng)建多少。圖1所示為電源的典型方框圖。左側(cè)顯示工業(yè)應(yīng)用的24 V電源電壓。此電壓現(xiàn)在必須轉(zhuǎn)換為5 V、3.3 V、1.8 V、1.2 V和0.9 V,并提供相應(yīng)的電流。生成單個電壓的最佳方法是什么?要從24 V轉(zhuǎn)換為5 V,最好選擇經(jīng)典的降壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器。但是,如何生成其他電壓呢?從已創(chuàng)建的5 V生成3.3 V合理嗎,或者我們是否應(yīng)直接從24 V轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率,在選擇架構(gòu)時盡可能保持高效率非常重要。
圖1.創(chuàng)建電源架構(gòu)。
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(jīng)通過了兩個轉(zhuǎn)換級。每個轉(zhuǎn)換級都只能實現(xiàn)有限的效率。例如,假設(shè)每個轉(zhuǎn)換級的轉(zhuǎn)換效率為90%,則已通過兩個轉(zhuǎn)換級的3.3 V電能的效率僅為81% (0.9 × 0.9 = 0.81)。系統(tǒng)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(tǒng)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(jié)論:直接一步從較高的電源電壓轉(zhuǎn)換為較低的輸出電壓始終更好??商幚磔^高輸入電壓的電壓轉(zhuǎn)換器通常更昂貴,當(dāng)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(shè)計中,可以使用LTpowerPlanner®等架構(gòu)工具來尋找最佳架構(gòu)。此工具可從ADI公司免費獲取,它屬于LTpowerCAD®開發(fā)環(huán)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(gòu)。
確定最終規(guī)格
確定最終規(guī)格在電源設(shè)計中極其重要。所有其他開發(fā)步驟都取決于這個規(guī)格。通常,在電子系統(tǒng)的其余部分設(shè)計完成之前,電源的精度要求是未知的。這通常會給電源設(shè)計開發(fā)又增加了一層時間限制。規(guī)格在開發(fā)階段后期也經(jīng)常會發(fā)生改變。例如,如果在最終編程設(shè)計時發(fā)現(xiàn)FPGA需要額外的功率,則必須降低DSP的電壓以節(jié)省能量,或者必須避免原定的1 MHz開關(guān)頻率,因為它會耦合到信號路徑中。這種更改會對架構(gòu)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的影響,特別是對電源電路設(shè)計。
規(guī)格通常在早期階段采用。此規(guī)格應(yīng)設(shè)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(fā)工具尤其有用。這樣可以在短時間內(nèi)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(guī)格更改。
規(guī)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(wù)預(yù)算、散熱、EMC要求(包括傳導(dǎo)和輻射行為)、預(yù)期負(fù)載瞬態(tài)、電源電壓變化和安全性。
LTpowerPlanner作為優(yōu)化輔助工具
LTpowerPlanner提供創(chuàng)建電源系統(tǒng)架構(gòu)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(fā)。
先定義輸入能源,再添加單個負(fù)載或用電設(shè)備。然后添加單個DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊??梢允情_關(guān)穩(wěn)壓器或低壓差(LDO)線性穩(wěn)壓器。所有組件均可指定自己的名稱。存儲預(yù)期轉(zhuǎn)換效率用于計算整體效率。
使用LTpowerPlanner有兩大優(yōu)勢。首先,通過簡單的架構(gòu)計算,可以確定對整體效率有利的各個轉(zhuǎn)換級的配置。圖2所示為相同電壓軌的兩個不同架構(gòu)。底部架構(gòu)的整體效率略高于頂部架構(gòu)。不進行詳細(xì)計算的話,這一點并不明顯。而使用LTpowerPlanner時,立即會顯現(xiàn)這種差異。
LTpowerPlanner的第二個優(yōu)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(gòu)草圖,這一可視化工具在與同事討論和記錄開發(fā)工作時會非常有用。文檔可以存儲為紙質(zhì)拷貝或數(shù)字文件。
圖2.兩個均具有效率計算功能的競爭架構(gòu)。
電源設(shè)計第2步:為每個DC-DC轉(zhuǎn)換器選擇集成電路
如今在設(shè)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(guān)穩(wěn)壓器IC和線性穩(wěn)壓器。它們都針對某一種特定的特性進行優(yōu)化。有趣的是,所有集成電路都各不相同,并且只有在極少數(shù)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(xù)設(shè)計過程中,該電路的特性固定不變。如果后面發(fā)現(xiàn)其他IC更適合,則需要重新開始整合新的IC。這種開發(fā)工作可能非常耗時,但使用設(shè)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(guān)重要。在 analog.com 上進行參數(shù)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。
圖3.使用LTpowerCAD搜索合適的開關(guān)穩(wěn)壓器IC。
圖4.LTpowerCAD電源計算工具。
要使用此搜索工具,只需輸入一些規(guī)格。例如,可輸入輸入電壓、輸出電壓和所需的負(fù)載電流。根據(jù)這些規(guī)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(zhuǎn)換器。
電源設(shè)計第3步:單個DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計
第3步是電路設(shè)計。需要為所選的開關(guān)穩(wěn)壓器IC選擇外部無源元件。在此步驟中對電路進行優(yōu)化。這通常需要仔細(xì)研究數(shù)據(jù)手冊,并進行所有必需的計算。使用綜合設(shè)計工具LTpowerCAD可極大地簡化電源設(shè)計的這一步驟,并可進一步優(yōu)化結(jié)果。
LTpowerCAD作為強大的計算工具
LTpowerCAD由ADI公司開發(fā),旨在簡化電路設(shè)計。它不是仿真工具,而是計算工具。它可以根據(jù)輸入的規(guī)格,在很短的時間內(nèi)提供有關(guān)優(yōu)化的外部元件的建議。可優(yōu)化轉(zhuǎn)換效率。也可計算控制環(huán)路的傳遞函數(shù)。這有助于輕松地有效控制帶寬和穩(wěn)定性。
在LTpowerCAD中打開開關(guān)穩(wěn)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(guān)穩(wěn)壓器的輸出電流高達10 A,開關(guān)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(shè)置。
選擇外部元件
LTpowerCAD基于詳細(xì)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(shù)據(jù)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(lián)電阻(ESR)和線圈的磁芯損耗都會考慮在內(nèi)。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(lián)網(wǎng),但定期更新軟件(使用更新功能)將確保集成開關(guān)穩(wěn)壓器IC和外部元件數(shù)據(jù)庫始終保持最新。
圖5.LTC3310S不同輸出電容的列表框。
檢查轉(zhuǎn)換效率
選擇最優(yōu)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(guān)穩(wěn)壓器的轉(zhuǎn)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(jié)溫。圖6所示為轉(zhuǎn)換效率和熱行為的計算頁面。
對電路響應(yīng)滿意后,可進行下一組計算。如果效率不理想,可更改開關(guān)穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率(見圖6左側(cè)),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(jié)果。
優(yōu)化控制帶寬并檢查穩(wěn)定性
選擇外部元件并計算效率后,控制環(huán)路得到優(yōu)化。必須通過環(huán)路設(shè)置確保電路可靠穩(wěn)定,在提供高帶寬時不會出現(xiàn)振蕩甚至不穩(wěn)定的情況,也就是說,能夠?qū)斎腚妷鹤兓龀鲰憫?yīng),特別是對負(fù)載瞬態(tài)做出響應(yīng)。在LTpowerCAD中,可通過Loop Comp.& Load Transient(環(huán)路補償和負(fù)載瞬態(tài))選項卡考慮穩(wěn)定性因素。除了波特圖和負(fù)載瞬態(tài)后的輸出電壓響應(yīng)曲線外,還有許多設(shè)置選項。
圖6.電路的效率計算和熱響應(yīng)。
圖7.在LTpowerCAD中設(shè)置控制環(huán)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(yōu)化補償,用戶無需深入了解控制工程即可調(diào)整任何參數(shù)。圖7顯示設(shè)置控制環(huán)路時的LTpowerCAD屏幕。
在LTpowerCAD中執(zhí)行穩(wěn)定性計算是此架構(gòu)的一個亮點。計算在頻域中執(zhí)行,速度很快,比時域仿真快得多。因此,可以在試驗基礎(chǔ)上更改參數(shù),并在幾秒鐘內(nèi)提供更新的波特圖。而時域仿真通常需要很多分鐘甚至數(shù)小時。
檢查EMC響應(yīng)并添加濾波器
根據(jù)規(guī)格,在開關(guān)穩(wěn)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(jīng)驗的電源開發(fā)人員將會面臨巨大挑戰(zhàn)。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(shè)計該濾波器,才能使傳導(dǎo)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(guān)穩(wěn)壓器之間的交互導(dǎo)致不穩(wěn)定。
圖8所示為Input EMI Filter Design,這是LTpowerCAD中的一個子工具??蓮膬?yōu)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(shè)計工具將顯示使用無源IC和EMC圖的濾波器設(shè)計。該圖繪制了具有或沒有輸入濾波器的情況下的傳導(dǎo)干擾,并且都在各種EMC規(guī)范(如CISPR 25、CISPR 22或MIL-STD-461G)的適當(dāng)限制范圍內(nèi)。
頻域中的濾波器特性和濾波器阻抗也可在輸入傳導(dǎo)EMC響應(yīng)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(guān)穩(wěn)壓器阻抗相匹配是很重要的。阻抗匹配問題會導(dǎo)致濾波器和電壓轉(zhuǎn)換器之間不穩(wěn)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(shè)計。
當(dāng)然,LTpowerCAD也支持在開關(guān)穩(wěn)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(yīng)用。要在輸出電壓路徑中添加濾波器,可單擊Loop Comp.& Load Transient(環(huán)路補償和負(fù)載瞬態(tài))頁面上的LC濾波器圖標(biāo)。單擊此圖標(biāo)后,將通過新窗口顯示一個濾波器,如圖9所示??稍诖颂庉p松選擇該濾波器的參數(shù)。反饋環(huán)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(wěn)定響應(yīng)。
圖8.LTpowerCAD中用于最大限度地減少開關(guān)穩(wěn)壓器輸入端傳導(dǎo)干擾的濾波器設(shè)計工具。
圖9.在開關(guān)控制器的輸出端選擇LC濾波器以減少電壓紋波。
電源設(shè)計第4步:在時域中仿真電路
使用LTpowerCAD完成電路設(shè)計后,接下來的仿真極其重要。通常在時域中進行仿真。根據(jù)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(yīng)集成到仿真中。這樣,仿真結(jié)果變得非常準(zhǔn)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(yōu)電路。在仿真過程中,可修改參數(shù)并重新啟動仿真。但是,如果用戶不是電路設(shè)計專家,則很難確定正確的參數(shù),再進行優(yōu)化。因此,仿真用戶未必始終清楚電路是否已經(jīng)達到了最佳狀態(tài)。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(wǎng)絡(luò)、優(yōu)化選項,并可提供優(yōu)質(zhì)可靠的仿真結(jié)果,因而在全球范圍內(nèi)被硬件開發(fā)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(xué)伯克利分校的電氣工程與計算機科學(xué)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(yè)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(dāng)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(xué)者也是如此。這些功能也為經(jīng)驗豐富的用戶提供了很大的靈活性。
LTspice設(shè)計簡單,易于使用。該程序可在 analog.com上下載,其中的大型數(shù)據(jù)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(guān)穩(wěn)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(chǎn)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(chǎn)品文件夾中,雙擊相關(guān)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(yù)設(shè)。然后,單擊圖10所示的運行程序圖標(biāo)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(xì)了解電源電路,這樣在構(gòu)建硬件時就不會出現(xiàn)意外。也可使用LTspice更改和優(yōu)化電路。此外,還可仿真開關(guān)穩(wěn)壓器與印刷電路板上其他電路部件的交互。這對發(fā)現(xiàn)相互依賴關(guān)系特別有用。例如,一次可同時仿真多個開關(guān)穩(wěn)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(fā)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(fā)出來的。
圖10.使用LTspice生成的LTC3310S仿真電路。
圖11.使用LTspice得到的LTC3310S電路仿真結(jié)果。
電源設(shè)計第5步:硬件測試
雖然自動化工具在電源設(shè)計中很有用,但下一步是執(zhí)行基本硬件評估。開關(guān)穩(wěn)壓器以非常高的速率開關(guān)電流。由于電路(特別是印刷電路板布局)的寄生效應(yīng),這些開關(guān)電流引起的電壓偏置會產(chǎn)生輻射??墒褂肔Tspice對此類效應(yīng)進行仿真。但是,要做到這一點,需要有關(guān)寄生特性的精確信息。大多數(shù)情況下無法獲取這些信息。您必須做出許多假設(shè),這些假設(shè)會降低仿真結(jié)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(guān)穩(wěn)壓器進行測試。主要是因為開關(guān)電流的路徑中的寄生電感會導(dǎo)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(chuàng)建最佳印刷電路板布局。開關(guān)穩(wěn)壓器IC數(shù)據(jù)手冊通常提供有關(guān)參考印刷電路板布局的信息。對于大多數(shù)應(yīng)用,可使用這個建議的布局。
在指定溫度范圍內(nèi)評估硬件
在電源設(shè)計過程中,可通過轉(zhuǎn)換效率來確定開關(guān)穩(wěn)壓器IC是否在允許的溫度范圍內(nèi)工作。但是,在預(yù)期的溫度限制下測試硬件很重要。開關(guān)穩(wěn)壓器IC甚至外部元件的額定值在允許的溫度范圍內(nèi)會發(fā)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(shù)一樣好。如果這些參數(shù)具有實際值,LTspice就可以執(zhí)行蒙特卡羅分析,從而得到想要的結(jié)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(tǒng)設(shè)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??梢栽谟布y試之前評估不同的方案。當(dāng)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(shù)相關(guān)的一般性能趨勢。此外,從這類仿真中獲得的數(shù)據(jù)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(shè)計階段使用LTspice或LTpowerCAD等軟件有助于在測試前獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果,從而加快整個電源設(shè)計過程并降低成本。
總結(jié)
適用于電源設(shè)計的工具已變得非常復(fù)雜且強大,足以滿足復(fù)雜系統(tǒng)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(yè)水平的設(shè)計人員都會大有幫助。不管是經(jīng)驗豐富的開發(fā)人員,還是經(jīng)驗不足的新手都可以使用這些程序進行日常電源開發(fā)。
仿真功能的發(fā)展程度令人震驚。使用適當(dāng)?shù)墓ぞ呖梢詭椭斓貥?gòu)建先進可靠的電源。
ADI的免費電源工具
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