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当拿到一个新项目开发需求，或是在参加智能车、电赛时，系统中的芯片对电源供电有不同要求时，该怎么设计？电源作为电子系统“最强心脏”，本期Back2School系列课程，我们就邀请多年电源设计经验的原厂一线工程师张工，从电源是什么，电源的关键参数、电源设计实例等多个方面，为大家分享该如何设计电源——
社会的发展导致了多种多样的电子设备，比如手机、电脑、智能穿戴、通信设备、工业控制设备和数据中心等，这些电子设备内部的各种IC、电子电路和执行装置所需的电源，多为直流电和交流电。
电子设备由于要完成许多高级的功能，对其供电电源的精度、随环境的变化、动态响应能力以及很多其他的指标都有非常高的要求。从电网所得的交流电或由电池所得的直流电是随环境、时间和负载所变化的。所以一次侧的电网电能是无法给终端的电子设备直接进行供电的，需要进行电能的变换，达到设备的电气规格需求，这样的设备便是电源，比如手机充电器、通信电源、服务器电源、OBC和充电桩等。由此可见，我们要设计的电源是一切电子设备的能量源泉。如果没有电源，电子设备就不可能工作。如果你参加电子设计大赛，拿到的题目是需要设计一个智能小车，这是你需要设计成最终产品的智能小车。在这个系统里面需要供电的器件有马达驱动、显示屏、蜂鸣器、陀螺仪，Wifi/蓝牙等一些电子设备，整个系统供电来源采用锂电池。由于这些元器件需要的供电电压不一样，那么就需要对锂电池电压进行不同程度的变换。这个是智能小车供电系统框图，电机需要12V供电，那么我们可以通过DC/DC降压电路降为12V，MCU小板/陀机供电/蓝牙模块等这些需要5V供电，那么我们可以再次将12V通过DC/DC降压电路变为5V，在MCU小板里面的MCU/陀螺仪/蜂鸣器/CAN芯片这些器件需要3.3V供电，那么我们需要再次将5V降到3.3V。所以在整个系统里面，我们需要根据供电器件的电气规格进行合理的设计供电系统。为了满足供电系统的设计要求，首先我们需要将各个器件的供电参数统计出来，然后再选取合适的DC/DC变换器。例如，在这里选取ROB-09238这个步进电机为例，通过数据手册可以看到它的供电电压是12V ，供电电流是330mA，也就是它的功率需要3.96W。一旦电机发生堵转等异常情况，瞬间峰值电流可能是正常工作电流的10倍，所以我们在设计DC/DC变换器的时候，一定要考虑余量。![]()
由于供电系统需要不同电压等级，为了简化电路设计，节省PCB空间，我们可以选择单芯片双输出或多输出的方案。在这里以ADI的MAX17524为例，它的输入电压范围可以做到4.5V到60V的宽范围，同时集成了高边MOSFET自带同步整流的Buck降压芯片，输出电压可以在0.9V到90%Vin，双通道输出，每通道最大输出电流3A。 MAX17524采用峰值电流模式控制，可以运行在PWM和PFM的混合调制模式，特别是在轻负载情况下，为了确保高效率，可以让Buck电路工作在DCM模式。这个是MAX17524的典型应用电路，在这里是5V和3.3V输出，刚好与我们智能小车供电系统供电电压一致，所以一颗芯片完美的解决了系统的两路供电。同时在数据手册里面已经将所有的元器件规格给出来了，同学们直接按照里面的元器件选型就可以了，大大简化了电路设计和选型的流程。也有同学说，我就想单路DC/DC进行设计，来保证电路的最大灵活性，不想受到多路输出相互之间的限制。那本例就以LTC1771这颗芯片进行设计。这个是LTC1771的典型应用电路：它也是一个Buck控制芯片，非同步整流。输入电压是4.5V到18V之间，这里以3.3V/2A为例作为输出指标。如果要想设计成不同的输出电压，根据这个公式，可以适当调整R1和R2的阻值比例来达到设计目标。其中在R2上并联的前馈电容Cff可以在跳频模式下改善输出电压的纹波，这其实就是一个微分电路，作用是将纹波电压进行适当放大后再进行控制。这个微分电容取值不能太大，否则会影响到正常情况下的输出电压精度，所以这里选5pF。接下来，我们分析哪些电源的关键指标值得去重点关注，其实在电源的设计过程中，就是一个取舍的问题。就看你注重哪一个指标，比如电源效率，器件成本，EMI，功率密度等，这些都是相互制约的，所以我们在设计电源的时候要有侧重点，不能一味的追求某一性能指标而忽视其他的性能指标。1）最大值：Absolute Maximum Ratings前面有举例用MAX17524设计一个双输出的电源，首先我们要关注的就是它的绝对最大值这个指标，它所指的是所有的电气参数必须要在这个规格范围内，如果超过这个值，芯片的性能无法保证，甚至有损坏的风险。比如它的各种电压范围、电流范围、功耗以及温度范围。所以要想芯片能正常工作并发挥出最佳性能，一定要在这个最大允许的值内进行运行。上面说的参数都是针对器件的极限，表示在这个范围内器件不会损坏，但不代表能正常工作或者性能满足规格书要求。而这一页的参数表示器件在该条件下工作可以满足规格书电气性能，所以，我们在器件选型的时候重点要考察可正常工作的电气指标。比如，在这里MAX17524可以正常工作的电压范围是4.5V-60V，只要输入电压在这个范围内，器件电性能才不会受到影响。![]()
谈到电源，就不得不提到效率。效率是影响一个电源好坏非常重要的指标。如果效率低了，那么代表这个电源的损耗大，损耗大就代表发热比较严重，而过热会严重影响电源的寿命和可靠性。所以，很多电源工程师把效率指标看的非常重要，也是很多电源产品在市场上最能体现该公司技术方向的指标之一。![]()
上面这三个图分别给出了在不同输入电压、不同输出电压以及不同控制模式的情况下的效率对比，这样可以非常直观的将效率曲线展示给电子设计工程师，方便器件的选型。下面三张图是分别在不同输入电压以及不同输出电压在相同输出电流3A的情况下的输出电压稳压精度的对比；其实电源的稳压精度主要受输入电压和负载的变化影响比较大，这个指标对环路的调节是一个比较大的考验。 除了在PFM模式轻负载条件下稳压精度看上去稍微差那么一点点，其他在PWM控制模式下的稳压精度还是非常高的。另外两个比较关键的指标，一个是电源的纹波噪声，还有一个是动态响应。输出电压的纹波噪声越小，代表这个电源的环路控制和滤波都是做的比较好的，有些终端设备对供电设备的电压噪声比较敏感，比如基站的通信电源。从这个图中我们可以看到纹波电压不到20mV，而几乎看不到噪声。那么在电源中纹波噪声该如何测试呢？首先我们要将电压耦合为AC档，同时示波器带宽限制在20MHz的带宽，示波器测试探头的环路要尽量小，防止串入其他干扰信号。至于动态响应则反应了电源对输入电压动态和输出电流的实时响应能力，也从侧面验证了这个电源的系统带宽。从这个图中我们可以看到，绿色曲线是负载电流的跳变，蓝色曲线则是输出电压在负载电流大动态下的响应情况，可以看到，在负载电流在瞬间变化的时刻，输出电压被拉低或者冲高，这个就非常考验环路的调整能力，我们可以发现输出电压被拉低或者冲高之后，会迅速的恢复到原来的状态，这个就是我们想要达到的设计目标。从输出动态的蓝色波形中，有经验的工程师会根据动态图初步可以判定设计的系统带宽、相位余量等这些指标大概是多少，至于具体的参数，需要专业的环路测试仪器才可以测试得出。如果想要电源在全工作环境条件下能稳定正常的工作，我们必须要了解电源的Bode图。不然在某个工作条件下，如果相位余量或者增益余量出现不足的情况，那么电源就会产生震荡，不但性能指标会受到影响，甚至可能会损坏电源。这两张图就是MAX17524在不同输出电压下的bode图。左边是输出电压在5V，工作频率450khz，1.66ohm的负载条件下测试的bode图，可以看到开环系统的截止频率是44.5kHz，相位余量69.91°；右边是输出电压在3.3V.工作频率450kHz，1.1ohm的负载条件下测试的bode图，可以看到开环系统的截止频率是50.8kHz,相位余量是64.27°。而我们在工程设计上，一般系统带宽在开关频率的1/10-1/20，相位余量大于30°，增益余量大于6dB，设计是满足要求的，可以保证电源的稳定运行。目前传统的说法是将前两大类归为开关电源，而将后两类分别称为逆变器和变频器。但是，可以将这四大类电源产品合称为电力电子产品或者功率变换产品。首先来看AC/DC开关电源，顾名思义就是将AC交流电压转为终端设备需要使用的直流电压。具体组成部分是：输入220V交流电压，经过整流桥之后，变成馒头波，再经过大电容的滤波将馒头波变成高压直流电压。当然，电源功率达到一定程度之后为了避免电源对电网的谐波干扰，会在这里加入一个功率因数校正电路PFC。最后再经过高频的DC/DC将高压直流电压转换为终端设备供电电压。比如这里的型号为LRS-35-24的AC/DC电源，它支持85V-264Vac交流电压输入，输出电压是24V，输出功率36W，如果大家需要类似的电源，可以去Digikey官网查找。![]()
DC/DC直流转直流的电源，顾名思义就是将一个直流电压转换为另一个直流电压，比如前面介绍的12V转5V或者3.3V.不同的设备对供电电压的要求不一样，所以这就是DC/DC电源存在的意义。![]()
关于DC/DC电源我们遇到最多的一种是模块电源或者砖块电源，它具有小体积高效率的特点，这类电源的功率一般都会比较大；另一种就是板载的DC/DC电源，它给电路板上的电子元器件进行供电，比如这里的LT7170，通常这类电源的功率会比较小。AC/DC电源和DC/DC电源可能是大家在日常生活当中或者电子电路设计中遇到的最多的两类电源。接下来介绍一下DC/AC电源，这类电源的输入是直流电压，通常是电池输入。经过DC/DC电路将直流电压升到一个比较高的直流电压，比如400V，然后经过一个逆变H桥将400V直流电压逆变为110V或者220V的交流电压。在这个图中，DC/DC电路大多为Boost升压电路。DC/AC电源在哪里遇见的比较多呢？比如我们在日常生活中比较容易看到的便携式储能电源，或者最新的新能源汽车，它们都带有AC逆变的功能，当我们去户外野餐或者露营的时候，可以给我们进行供电。给我们的生活带来了非常大的方便。最后一类就是AC/AC电源了，它是将一种AC交流电源转换为另一种AC交流电源，和DC/DC有点类似。具体实现方式是AC交流电压作为输入，经过AC/DC电路之后转换为直流，它的控制方式是恒压恒频，然后再通过DC/AC电路逆变出AC交流电压；它的控制方式是变压变频；![]()
下面这类图我们通常也称为变频器，它是一种静止的频率变换器，可将电网电源的50Hz频率交流电变成频率可调的交流电，作为电动机的电源装置，目前在国内外使用广泛。使用变频器可以节能、提高产品质量和劳动生产率等。![]()
上面的内容，让大家对电源有一个基本的了解。无论是传统的应用，还是新兴的人工智能、电动汽车、5G中，电源都是设计的重点，希望上面的内容，能给大家一些帮助。
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