【導讀】幾乎所有電子系統的運行都離不開可靠的供電方案。對于硬件工程師而言，電源架構規劃、器件選型、電路優化等環節往往是罪耗費時間精力的。為破解這一痛點，業界經過長期技術沉淀，形成了一套覆蓋電源設計全流程的工具體系。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——電源系統設計工具、電源計算工具、數字電源配置工具、電路仿真工具及硬件評估工具，各模塊協同發力，為工程師打造了高效便捷的設計路徑。
電源系統設計工具
系統設計工具幫助設計系統的電源架構。大多數電子系統需要不止一個電源，通常需要五個或更多不同電源。借助ADI公司的LTpowerPlanner?工具，設計人員可以繪制出電路中所有不同電源轉換步驟的簡單框圖。這些步驟可以在易于使用的圖形用戶界面中進行修改。每個電源模塊都可以設置預期的電源轉換效率，用戶只需點擊幾下鼠標就能得到電源架構的總效率。圖1顯示了這樣一個框圖的屏幕截圖，計算得出的總效率為86.3%。
這款工具能夠幫助用戶作出關于電源架構的基礎決策。它通過選擇具有特定效率的DC-DC轉換器，實現可接受的總電源轉換效率。此外，它還能作出并記錄系統級決策，例如時序控制要求和能力。
圖1使用LTpowerPlanner開發的電源架構框圖
電源計算工具
利用LTpowerPlanner為特定應用開發出合適的電源系統設計后，我們便要專注于特定的DC-DC轉換器，以設計和優化電路。對于這一設計步驟，最佳的輔助工具是LTpowerCAD?。用戶可以從ADI網站免費下載該工具，并將其安裝在本地計算機上。僅當更新軟件或精確計算電感磁芯損耗時，才需要網絡連接。安裝并啟動LTpowerCAD后，用戶就可以從參數搜索窗口中選擇現有電源轉換器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、頻率同步能力或數字接口）之后，該工具就會顯示合適元器件的列表。然后，用戶從列表中選擇一個解決方案，隨即會打開一個設計窗口，其中包含外部元件的建議值。接著，從來自多家供應商的大量真實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化電路的所有計算，包括電路效率、穩定性考慮以及電源轉換器輸入端或輸出端的額外濾波要求。
使用該工具時，如果選擇的元件值遠低于或高于電路計算的建議值，則會顯示警告消息。
圖2顯示了LTpowerCAD中用于優化設計的主窗口。黃色框顯示工具計算出的值，藍色框允許用戶輸入值。使用此工具設計開關電源電路非常簡單。
圖2LTpowerCAD中用于選擇開關電源外部元件的選項卡
圖3顯示了LTpowerCAD中的一個獨特功能：電磁干擾(EMI)濾波器設計工具。用戶可在LTpowerCAD的主電路界面中訪問此工具，點擊后將打開一個專用濾波器設計器窗口。這個濾波器設計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EMI規范，例如CISPR 22/CISPR 32、CISPR 25或MIL-STD-461G輻射標準。它會繪制電源轉換器本身的輻射圖，并推薦適當的輸入端濾波器，以將傳導輻射衰減到可接受的水平。除了這些主要任務之外，它還會繪制濾波器傳遞函數（濾波器衰減）和濾波器阻抗圖。適當的濾波器阻抗對于確保DC-DC轉換器和濾波器的組合保持穩定非常重要。
圖3.LTpowerCAD中的EMI濾波器設計工具，用于設計濾波器以減少電源輸入端的傳導輻射
數字電源設置工具
有些電源是數字型。當然，1和0無法為負載供電。我們所說的數字電源是指電源穩壓器IC內的數字電路，用于控制電路參數、讀取有關電源活動的信息（遙測）、在數字域中運行完整的控制回路等。雖然需要付出更大的努力來快速準確地將信號數字化，但也因此具備了以數字化方式調整控制回路的能力。
評估數字電源時，我們需要一個軟件工具來與電源通信，并對基于狀態機的器件進行各種設置。為此，用戶可以下載免費的LTpowerPlay?工具。它提供圖形用戶界面，能夠全面控制數字電源。通常，該軟件使用USB轉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置，并輪詢和顯示電源信息。
LTpowerPlay數字電源工具可以在仿真模式下作為獨立系統運行，即使未連接任何硬件也無妨。通過這種方式，用戶可以快速了解數字電源IC，而無需花時間閱讀冗長的數據手冊。
圖4.利用LTpowerPlay對數字電源集成電路進行適當的設置
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、符號生成器和波形查看器。它免費使用，功能先進，并針對開關電源仿真進行了優化。與一些SPICE仿真器相比，LTspice的開關電源仿真速度更快。此外，LTspice的新特性持續增加，運行速度不斷提升。
電路仿真工具是對LTpowerCAD等電路計算工具的有效補充。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，還可以將多個電源組合成一個大系統，檢查多個電源如何相互影響。
LTspice 17.1版引入了頻率響應分析(FRA)，能夠快速、輕松地生成電源調節環路的波特圖。LTspice 24版添加了特殊FRA探針，支持繪制調節環路的部分傳遞函數圖。LTspice 24.1.8版引入了繪制奈奎斯特圖和標準波特圖的功能。圖5顯示了LTspice中一款隔離式DC-DC轉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環境中，從ADI網站免費下載有限節點版本的SIMPLIS。SIMPLIS是一款分段線性系統仿真工具，它在仿真開關電源時速度極快。OASIS仿真環境則是包含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
硬件評估工具
盡管計算與仿真工具能大幅提升設計可靠性，但真實硬件的性能驗證仍是不可或缺的環節。借助上述工具充分準備電路，可以縮短硬件評估時間，但仍需進行實際的硬件搭建與檢查。為了減少實驗評估所需時間，我們推出了一個名為LTpowerAnalyzer的新電源評估環境。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發生器，能夠控制LTpowerAnalyzer。圖6顯示了連接到被測設計(DUT)開關電源板的LTpowerAnalyzer的設置。
圖6.LTpowerAnalyzer幫助進行硬件評估
該硬件評估工具可以繪制電源的波特圖。它能夠對高達100 A的負載瞬變進行生命周期負載瞬變測試。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雜（電感或電容性）負載。
這款工具以合理價格在ADI官網發售。配套的LTpowerAnalyzer軟件操作簡便。更支持與LTpowerCAD實現數據對接——將軟件計算的波特圖與硬件實測結果在同一窗口中對比顯示，使設計值與實際性能的差異一目了然，便于將計算結果與實際情況進行比較。圖7屏幕截圖顯示了使用LTpowerAnalyzer軟件進行的波特圖測量。
圖7.LTpowerAnalyzer軟件能夠輕松地對電源進行詳細評估
從架構設計到硬件驗證，ADI電源工具鏈形成完整閉環。各工具精準銜接，既簡化了電源設計的復雜流程，又保障了方案的可靠性與高效性。這套工具鏈無疑是硬件工程師的得力伙伴，助力其在電源開發中精準決策、高效創新，為電子系統的穩定運行筑牢根基。
