資深電源工程師是如何進行電源設(shè)計的？

電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展推動了電源技術(shù)這一領(lǐng)域的飛速前進，同時也給電源工程技術(shù)人員帶來了前所未有的機遇和挑戰(zhàn)，小到家用電器，大到大型電力行業(yè)所用的儀器設(shè)備，無不需要電源來提供能源，這也更需要大量具有電源專業(yè)知識水平的工程師來完成設(shè)計和開發(fā)。

而電源工程師主要是指從事開關(guān)、通訊、設(shè)備等電源的設(shè)計與研發(fā)工作的相關(guān)人員。

那么，一個成熟的電源工程師是怎樣工作的呢？主要有十點：

一：符合電源設(shè)計要求，評估成本，定可行性方案。

二：根據(jù)客戶要求給出報價，給定大體的元件成本與生產(chǎn)成本，可行性電路。

三：構(gòu)想出原理圖，確定所選取的功率管，變壓器，最穩(wěn)定最簡單生產(chǎn)又方便的原理方案。

四：根據(jù)原理圖，客戶給定的樣板要求或外殼要求設(shè)計PCB。

五：根據(jù)原理圖，裝配合適元件，對電器參數(shù)調(diào)整。讓本機在最低要求下能正常工作。

六：上負載測試，功率達80測式，檢查輸出波形，電壓要求，電磁性能，功率管溫度，電壓穩(wěn)定度，轉(zhuǎn)換效率。在這一個程中，對電子元件進行合適的參數(shù)調(diào)整。

七：強化測試！也就是超負何，短路，低壓，過壓，強溫，防震等測試。

八：根據(jù)樣板確定原理圖準確的參數(shù)，定好方位圖，物料圖，發(fā)給生產(chǎn)部，倉管，跟單員，對樣板進行小批量生產(chǎn)。

九：對樣板進行嚴格測試，各種性能OK，由業(yè)務(wù)員發(fā)給客戶評估。OK了，可以量產(chǎn)。

十：以后生產(chǎn)對項目進行跟蹤，改良，以最短時間，最好質(zhì)量給客戶出貨。

其實，工程師所有參數(shù)是從經(jīng)驗與調(diào)試中出來的。我們設(shè)計電源，對參數(shù)的計算95%是不要的。比如逆變器，1000W，可以用兩個55，因為每個都能達500，也可以用4個40，因為每個40可以達350W。變壓器，哪用算呢！不過要有經(jīng)驗。

當然你也可以參考完成的產(chǎn)品來定！線圈數(shù)，我們也要給驗。電路參數(shù)，對于電子元件，就那幾個：電阻，電容，二極管，三極管，電感，熱敏，壓敏，場管，變壓器，保險，集成電路等。

各個元件的組合，也就是我們的基本電路：放大，濾波，隔離，信號源，穩(wěn)壓，比較，電流放大，電壓放大等常駐用電路。當然還要加上自己想出來的一些獨立電路！

所以，可以把電源板看成一個統(tǒng)一體，然后有所需用常用電路相拼。這樣就能得出一款好的產(chǎn)品。對于新產(chǎn)品，要用自己比較了解又有把握的電路！如不是，設(shè)計出來的產(chǎn)品，在生產(chǎn)上問題就會非常多！

電源用通常理解的話說：是一種可以為電子電器提供合適電壓，電流，波形與頻率的轉(zhuǎn)換裝置！比如：直流電源，可以理解為頻率為零，波形為直線的電源。交流電源，可以理解為電壓交替變換（正負在兩電極間轉(zhuǎn)換），有頻率，波形的電源！

不管哪一種電源，都可以用微分積分數(shù)學把它在任一點時間內(nèi)的值求解，且有唯一解，比如：方波，是有無數(shù)量級的正弦波組成，因此，方波可以分解為奇次諧波與牛次諧波，我們一般取值3次諧波就可以滿足要求，占功率最大部分是基波。

由于現(xiàn)在的電源采用的變壓器基本上為高頻磁心，所以場效應(yīng)管就成為主要的功率器件！大家都明白，場效應(yīng)管是工作在開關(guān)狀態(tài)的，所以以它作為功率管，電源輸出的都是脈沖方波，因此場效應(yīng)管為功率的電源都帶有很大份量的諧波與基波！

對于場效應(yīng)管為開關(guān)功率管的電源，還要明白的就是：場效應(yīng)管所生產(chǎn)的損耗90%是在開通至關(guān)斷的時間內(nèi)生產(chǎn)的，因為開通與關(guān)斷時間內(nèi)都有一個很大的瞬間電阻！所以解決開關(guān)電源問題，其實主要的工作就是如何減小開通，關(guān)斷損耗，對于諧波，可以通過濾波器來解決！

我們還有一點要明白的就是：場效應(yīng)管對瞬間變化的電壓很敏感，所以給它供電的電源必須電壓要穩(wěn)定！

最后要明白的就是：它的柵極電阻很大，一點點電壓就可以讓其開通，基本上不要求有電流。所以場效應(yīng)管是一種電壓控制元件。

使用好場效應(yīng)管的注意事項：

1、供電電壓要穩(wěn)定。

2、控制好開通，關(guān)斷損耗。

3、適當降低柵極電阻，防止誤導通。

4、要有低通放電電路與速充電電路，因為場管是柵極有電容，其電容充電要快，放電也要快！所以要用圖騰柱電路。

如何設(shè)計一款好電源：

第一：確定你的電源功率與輸入電壓。由電源功率選擇開關(guān)管的開關(guān)電流，變壓器體積，輸入電壓確定開關(guān)管的耐壓與變壓器輸入圈數(shù)。

第二 ：不管何種電壓，電源功率，用到場管都要有低通放電與速充電電路。

第三：變壓器要有吸收電路，把諧波吸收。

第四：場管柵極內(nèi)阻要用電阻接地拉低。

第五：要選擇合適的開關(guān)頻率，保證靜太損耗最小的同時，場管轉(zhuǎn)換效率最高。

第六：對于輸入電壓超過75V時，要考濾諧振電路作為負助功能電路。

第七：功率過大時，要考濾PFC電路接入設(shè)計中。

第八：驅(qū)動信號要穩(wěn)定！且要有5V以上。

不管是開關(guān)電源，逆變電源，高頻設(shè)計成為主要的技術(shù)手段與主流！對于很多沒計過電源或是對電源設(shè)計還未達到項目開發(fā)能力的人來說，一想到設(shè)計，就會想到各種各樣的計算模式！這種想法是對的，但做法是錯的！

真正的電源高手從來不去計算太多的。就算元件有1000個，也不會動筆去算得太多！但出來的電源卻是效果超好。

再談一下電源設(shè)計工具

電源設(shè)計過程是一項極為艱難的工作，從對復雜電路的理解到尋求芯片經(jīng)銷商的幫助，沒有一件是輕松容易的事情。分享幾種主流的電源設(shè)計工具，利用現(xiàn)有的一些軟件和硬件工具，降低電源設(shè)計的復雜度，將電源設(shè)計真正掌握在自己手中。

1、SIMetrix/SIMPLIS

SIMetrix/SIMPLIS美國Transim公司開發(fā)的軟件包。它包含兩個仿真內(nèi)核－SIMetrix和SIMPLIS，共用一個原理圖編輯界面，界面簡單，相對更容易掌握。其中SIMetrix是在SPICE和XSPICE基礎(chǔ)上開發(fā)出來的混合信號電路仿真器，它和其他SPICE類仿真軟件類似，可以精確分析電路元件工作的暫態(tài)過程。SIMPLIS是以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)的仿真內(nèi)核，它的元器件采用分段線性的建模方式，運算效率很高，仿真速度是一般SPICE類仿真軟件的10到50倍。并可以直接進行開關(guān)電源的小信號分析。適合于電源系統(tǒng)分析，設(shè)計和優(yōu)化。

SIMetrix SPICE本質(zhì)上和PSpice等仿真軟件相似，此外還它還提供了豐富的分析模式，以AC分析為例，標準SPICE只能進行頻率掃描，SIMetrix SPICE可以提供5種掃描模式。例如通過對固定頻率下的放大器直流輸入電壓掃描，查看輸入偏置及其增益的關(guān)系曲線，或進行放大器源電阻噪聲掃描分析給出優(yōu)化值等等。同時可對電路做蒙特卡羅等分析，優(yōu)化電路性能。

SIMPLIS是“Simulation For Piecewise Linear System”首字母縮寫詞。專門為開關(guān)電源系統(tǒng)的快速建模仿真而設(shè)計。SIMPLIS對非線性器件采用分段線性建模，將一個完整的系統(tǒng)定義為線性電路拓撲的循環(huán)序列，以描述開關(guān)電源系統(tǒng)中半導體器件的開關(guān)特性。因此可以取得很高的速度，同樣硬件配置下，其仿真速度比SPICE類軟件快10到50倍，這一特點是SIMPLIS在工程應(yīng)用中尤其是電源行業(yè)里與其他仿真軟件競爭的優(yōu)勢所在。其缺點在于分段線性模型沒有利用非線性方程描述的SPICE模型精確，因此在模擬實際電路波形方面，如開關(guān)電流，電壓尖刺等開關(guān)暫態(tài)過程可借助SIMetrix。

SIMPLIS具有兩種獨有的分析模式，POP（Period Operating Point）分析和AC分析。POP分析是一種快速確定開關(guān)電源穩(wěn)態(tài)工作點的算法。在這種分析模式下，電路無需進行較長時間電路啟動瞬態(tài)仿真，就可快速確定開關(guān)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作點。它比通常意義上的瞬態(tài)仿真快100倍以上。大幅縮短了仿真時間。SIMPLIS另一個非常突出的特點是可直接對開關(guān)電源進行小信號分析。我們知道傳統(tǒng)的靜態(tài)頻率掃描方法并不適用于開關(guān)電路。

通常設(shè)計人員需要再次解析開關(guān)電源的狀態(tài)方程建立平均模型，建模難度較大，要求工程設(shè)計人員具備較好的拓撲分析和控制理論基礎(chǔ)。SIMPLIS的AC分析不需要獲得平均模型即可得到頻域響應(yīng)，它模擬真實硬件電路的掃頻測量方法。在創(chuàng)建好的原理圖中加入AC擾動源即可進行小信號分析。其分析過程可簡單描述為首先開始POP分析，計算出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作點，然后進行小信號掃描，得出所需頻域曲線。

2、PI Expert Suite

PI Expert 是PI公司推出的一款用于單片開關(guān)電源的計算機輔助設(shè)計軟件，也稱為PI Expert專家系統(tǒng)，目前的版本是9.0。它能根據(jù)設(shè)計人員的要求，在輸入了一系列技術(shù)指標以后，自動生成電路拓撲、設(shè)計結(jié)果、材料清單、PCB布局、變壓器參數(shù)和結(jié)構(gòu)等。在1-5分鐘內(nèi)，就可以完成一款單片開關(guān)電源的設(shè)計工作。目前支持的單片IC有以下幾類：

TOPSwitch-GX PeakSwitch TinySwitch-II TinySwitch-III DPA-Switch

LinkSwitch-II PI Expert Suite 9.0。新版軟件現(xiàn)在增加了對其LinkSwitch-PL和LinkSwitch-PH LED驅(qū)動器IC以及近期推出的TinySwitch-4離線式開關(guān)IC產(chǎn)品系列的設(shè)計支持。V9.0還附帶一款增強的電路原理圖處理工具，借助這個工具，設(shè)計師可將自動生成的電路原理布局圖所創(chuàng)建的最終BOM上傳至選定、可滿足設(shè)計需求的領(lǐng)先分銷商。

PI Expert：是自動化的圖形用戶界面（GUI）程序，它可以根據(jù)用戶的電源規(guī)格參數(shù)，自動生成圍繞Power Integrations某一IC產(chǎn)品系列的電源轉(zhuǎn)換方案。PI Expert可提供構(gòu)建和測試工作原型所需的所有必要信息。這些信息包括完整的交互式電路原理圖、物料清單（BOM）、電路板布局建議以及詳細的電氣參數(shù)表。PI Expert還可提供完整的變壓器設(shè)計，包括磁芯尺寸、線圈圈數(shù)、適當?shù)木€材規(guī)格以及每個繞組所用的并繞線數(shù)。此外，還可生成詳細的繞組機械裝配說明。該程序可以將設(shè)計時間從數(shù)天縮短至幾分鐘。

PI Xls Designer：PI Xls Designer是基于設(shè)計表格的應(yīng)用程序，能讓電源設(shè)計師在設(shè)計過程中獲得更多的控制。同時，也提供包括詳細的繞組機械裝配說明在內(nèi)的變壓器構(gòu)建支持。PI Xls Designer根據(jù)您提供的有關(guān)輸入、輸出以及其他所有必需的設(shè)計規(guī)格來執(zhí)行所有必要的計算，以設(shè)計和評估采用Power Integrations的IC的電源轉(zhuǎn)換方案。

3、webench

自從德州儀器于1999年推出 WEBENCH 網(wǎng)上設(shè)計工具后，設(shè)計工程人員便可在數(shù)分鐘內(nèi)于網(wǎng)上創(chuàng)建出可靠的電源供電電路，用戶只要輸入所要求的電路性能， WEBENCH 工具套件便可完成設(shè)計。今天，WEBENCH 設(shè)計工具可以在數(shù)秒間創(chuàng)建和展示出所有符合設(shè)計要求的可行方案，包括電源供應(yīng)器、照明系統(tǒng)和傳感電路等，讓用戶可在決定設(shè)計方案前，從系統(tǒng)和供應(yīng)鏈的角度比較來自不同設(shè)計的數(shù)值，而這種專業(yè)的分析工具在業(yè)內(nèi)可說是唯一的。

所有這些設(shè)計工具都可通過 WEBENCH Visualizer 接口提供出多個不同的完整系統(tǒng)選擇 （一目了然的數(shù)值比較?。?，而設(shè)計工程人員只需調(diào)校 WEBENCH 優(yōu)化旋鈕便可從大小、效率和系統(tǒng)成本的角度調(diào)整結(jié)果。。

WEBENCH 設(shè)計工具中的經(jīng)濟效益系統(tǒng)（Eco-System 是促成這種數(shù)值式比較的關(guān)鍵，當中包含超過 110 個不同的組件供貨商和電子零件分銷商，該 Eco-System 可提供超過 21.000 款組件的電氣和物理特性，而且其網(wǎng)上價格和供貨數(shù)據(jù)可每小時更新。目前，WEBENCH 設(shè)計工具可支持簡體中文、日文和英文三種語言。

采用 WEBENCH 設(shè)計工具，您只需進行幾個步驟便可在數(shù)分鐘內(nèi)創(chuàng)建一個設(shè)計：

定義系統(tǒng)的性能要求，包括光輸出、傳感器精確度或電壓和電流；

選擇您偏愛的 FPGA、LED 或組件供貨商；

在可視熒幕上從大小、成本、效率和簡易度檢討最后得出來的完整解決方案；

分析和調(diào)整最后得出來的拓撲和組件供貨商；

打印項目或設(shè)計報告或訂購短時間付運的完整建模 （Build It） 套件；

今天決定設(shè)計，明天進行組裝；

配合超過150萬個成功設(shè)計，使 WEBENCH 設(shè)計工具的創(chuàng)意無限。

4、SwitcherPro

SwitcherPro 軟件為您提供電源設(shè)計的電路圖和布局建議。一旦您運行了軟件，您便會注意到窗口左側(cè)的 EVM 設(shè)計選項。例如，您會在給出的列表中找到 TPS54331 EVM。

SwitcherPro 工具還為您提供了修改電路要求的機會，甚至可以修改示意圖中的組件。通過復制 EVM 設(shè)計，然后選擇編輯電路選項，便可以進行修改。這樣一來，您就可以修改 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸入最小值和最大值，也可以修改輸出電壓和電流要求。軟件還具有一般分析、應(yīng)力分析、效率分析和回路分析功能，方便您評估電路。

為了完成設(shè)計，您需要返回到您的評估模塊，按照 SwitcherPro 的建議修改各項值，然后對您的新電路進行測試和驗證。最后，如果您是在線工作，便可以輕松地同其它人分享您的設(shè)計。

您現(xiàn)在一定可以說：“我能自己進行這種電源設(shè)計了”。電源設(shè)計自然也就在掌控之下！

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