摘要
本文介紹了用於開關模式電源開發的各種可用工具。這些工具共同引導設計人員從系統最初的電源管理架構，一路完成到最終的硬體評估。每種工具都有特定用途並提供寶貴見解。這些功能使工程師能夠在縮短開發時間的同時，設計出優異的電源供應器。
簡介
幾乎所有的電子電路都需要電源。因此，大多數設計工程師必須設計出一種電源方案來為其電路供電。為了簡化這項任務，隨著時間推移，已經開發出一套廣泛的電源工具鏈。通常，我們可以區分五種不同的工具：電源系統設計工具 (Power System Designers)、電源計算工具、數位電源設定工具、電路模擬工具以及硬體評估工具。所有這些工具執行不同的功能，並讓硬體設計人員的工作變得簡單許多。
電源系統設計工具 (Power System Designers)
系統設計工具可協助建立系統電源供應器的架構。大多數電子系統需要一個以上的電源供應器，通常需要五個或更多。Analog Devices 的 LTpowerPlanner® 工具允許設計人員繪製電路中所有不同電源轉換步驟的簡單方塊圖。這些可以在易於使用的圖形使用者介面中進行修改。每個電源區塊都可以設定預期的電源轉換效率，因此使用者只需點擊幾下鼠標即可找到總電源架構的效率。
圖 1. 使用 LTpowerPlanner 開發的電源架構方塊圖。
此工具透過選擇具備個別效率的 DC-to-DC 轉換器來協助做出電源架構的基本決策，以產生可接受的總電源轉換效率。此外，也可以制定並記錄系統級決策，例如電源啟動順序 (Sequencing) 的要求與功能。
電源計算工具 (Power Supply Calculation Tools)
使用 LTpowerPlanner 為特定應用開發合適的電源系統設計後，我們將重點放在特定的 DC-to-DC 轉換器，以設計與優化該特定電路。這一步驟的最佳支援工具是 LTpowerCAD®。它可以從 ADI 網站免費下載並安裝在本地端電腦。僅在更新或精確計算電感核心損耗時才需要網路連接。啟動後，使用者可以從參數搜尋視窗中選擇現有的電源轉換器 IC。輸入輸入電壓範圍、所需的輸出電壓與輸出電流，以及其他特定要求（如 Power Good 引腳、頻率同步功能或數位介面）。隨後會顯示合適元件的清單。使用者從清單中選擇一個方案，隨後會開啟一個設計視窗，並顯示外部元件的建議值。從多個供應商提供的長串電感或電容元件清單中選擇實際元件。然後，這些元件將被用於優化電路的完整計算，包括電路效率、穩定性考量，以及電源轉換器輸入端或輸出端的額外濾波要求。
圖 2. 用於選擇開關模式電源供應器外部元件的 LTpowerCAD 分頁。
LTpowerCAD 內還有一個獨特的功能：電磁干擾 (EMI) 濾波器設計工具。它可以從主電路畫面進入。此設計工具非常適合用於發現電源是否需要特殊的輸入濾波器，以符合特定的傳導 EMI 規範（如 CISPR 22/CISPR 32、CISPR 25 或 MIL-STD-461G）。它會繪製電源轉換器本身的發射量，並建議合適的輸入端濾波器。此外，還會繪製濾波器傳遞函數（濾波器衰減）和濾波器阻抗。濾波器阻抗對於確保 DC-to-DC 轉換器與濾波器的組合穩定運作非常重要。
圖 3. LTpowerCAD 內的 EMI 濾波器設計工具，用於設計濾波器以減少電源輸入端的傳導發射。
數位電源設定工具 (Digital Power Supply Setting Tools)
某些電源供應器是數位的。我們所說的數位電源是指電源穩壓器 IC 內的數位電路，用於控制電路參數、讀取電源活動資訊（遙測），並能夠在數位領域運行完整的控制迴路。雖然這需要投入更高成本來快速且精確地將信號數位化，但它提供了以數位方式調整控制迴路的能力。在評估數位電源時，我們需要軟體工具與電源對話並對狀態機元件進行各種設定。使用者可以下載免費的 LTpowerPlay® 工具。這是一個全方位控制數位電源的圖形介面。通常軟體透過 USB 轉 I2C (PMBus®) 介面與硬體通訊。
圖 4. 使用 LTpowerPlay 對數位電源整合電路進行適當設定。
電路模擬工具 (Circuit Simulation Tools)
市場上有許多電路模擬工具。其中最受歡迎的是 LTspice®。它是一個功能齊全的 SPICE 模擬器，具有直觀的電路圖輸入工具、符號產生器和波形檢視器。它是免費且高度先進的，並針對開關模式電源模擬進行了優化。電路模擬工具是 LTpowerCAD 等電路計算工具的良好補充。在模擬工具中，使用者有更大的彈性來修改電路、添加濾波器等零件，並將多個電源組合到一個大型系統中，以檢查多個電源如何相互影響。LTspice 版本 17.1 引入了頻率響應分析 (FRA)，可以快速輕鬆地產生電源調節迴路的波德圖 (Bode plot)。
圖 5. LTspice 是一款非常受歡迎的模擬工具，提供諸如用於電源的全新 FRA 等特殊功能。
除了 LTspice，Analog Devices 也支援具有許多元件模型的 SIMPLIS®。SIMPLIS 是分段線性系統的模擬，在模擬開關模式電源時非常快速。
硬體評估工具 (Hardware Evaluation Tools)
即便擁有現代化的開發工具鏈，仍有必要在真實硬體中構建電路並進行評估。為了縮短實驗室所需的時間，有一種新的電源評估環境稱為 LTpowerAnalyzer。這是一套連接到 PC 與 ADALM2000 套件的硬體。ADALM2000 是一個口袋式示波器和信號產生器。
圖 6. LTpowerAnalyzer 協助硬體評估。
此硬體評估工具可以繪製電源供應器的波德圖。它可以執行高達 100 A 的負載瞬態測試 (Load transient tests)。它還可以繪製電源的輸出阻抗，這有助於發現電源是否與複雜（感性或容性）負載相容。LTpowerAnalyzer 軟體甚至允許與 LTpowerCAD 介接，以將波德圖計算結果與真實硬體測量結果進行比較。
圖 7. LTpowerAnalyzer 軟體，用於對電源進行簡單但詳細的評估。
結論
使用最新的電源工具開發電源供應器變得簡單許多。優化的各個步驟都是自動化的，資訊呈現清晰簡單。關鍵決策不僅可以由經驗豐富的電源管理專家做出，也可以由必須為主要電路開發電源的電路設計師做出。值得注意的是，這些工具是免費提供給使用者的。
關於作者
Frederik Dostal 是電源管理專家，在該行業擁有 20 多年的經驗。他目前在德國慕尼黑的 ADI 辦公室工作。
