電子產品開發：快速高效電源設計的五個步驟

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變得更快、更容易。在本文中，英銳恩單片機開發工程師介紹了如何通過一些工具來設計電源。

實現電源的最佳設計很重要，但也很復雜。沒有單一的典型應用，而大多數系統需要多個直流電源軌。盡管還無法實現電源設計的全面自動化，但新手和專業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：創建電源架構

此步驟首先開發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開發環境的一部分。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壓器IC和線性穩壓器，所有這些都針對一種特定屬性進行了優化。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性。

LTpowerCAD還允許對其集成電路數據庫進行參數搜索，并根據輸入電壓、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。該工具可以根據輸入的規格推薦外部組件，從而優化轉換效率。它還計算控制環傳遞函數，從而簡化最佳控制帶寬和穩定性的實現。

在LTpowerCAD中執行的穩定性計算是其架構的一大亮點。在頻域中執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，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，濾波器和開關穩壓器之間的相互作用絕不能導致不穩定。

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，從而產生輻射。

但是，支持創建最佳PCB布局。開關穩壓器IC的數據表通常提供參考設計的信息。對于大多數應用程序，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一樣好。因此，通常希望通過物理測試來評估硬件。

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工程師分享的“電子產品開發：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，提供8位單片機、16位單片機、32位單片機。