一个成熟的电源工程师是怎样工作的呢?
2021-06-10

电子信息技术的飞速发展推动了电源技术这一领域的飞速前进,同时也给电源工程技术人员带来了前所未有的机遇和挑战,小到家用电器,大到大型电力行业所用的仪器设备,无不需要电源来提供能源,这也更需要大量具有电源专业知识水平的工程师来完成设计和开发。


而电源工程师主要是指从事开关、通讯、设备等电源的设计与研发工作的相关人员。



那么,一个成熟的电源工程师是怎样工作的呢?主要有十点:


一:接过电源设计要求!评估成本,定可行性方案。

二:根据客户报价!给定大体的元件成本与生产成本,可行性电路。

三:构想出原理图!确定所选取的功率管,变压器,最稳定最简单生产又方便的原理方案。

四:根据原理图,客户给定的样板要求或外壳要求设计PCB。

五:根据原理图,装配合适元件,对电器参数调整。让本机在最低要求下能正常工作。

六:上负载测试,功率达80测式,检查输出波形,电压要求,电磁性能,功率管温度,电压稳定度,转换效率。在这一个程中,对电子元件进行合适的参数调整。

七:强化测试!也就是超负何,短路,低压,过压,强温,防震等测试。

八:根据样板确定原理图准确的参数,定好方位图,物料图,发给生产部,仓管,跟单员,对样板进行小批量生产。

九:对样板进行严格测试,各种性能OK,由业务员发给客户评估。OK了,可以量产。

十:以后生产对项目进行跟踪,改良,以最短时间,最好质量给客户出货。


以上十点,没提过工程师的参数是如何得出来的。


其实,工程师所有参数是从经验与调试中出来的。我们设计电源,对参数的计算95%是不要的。比如逆变器,1000W,可以用两个55,因为每个都能达500,也可以用4个40,因为每个40可以达350W。变压器,哪用算呢!不过要有经验。


当然你也可以参考完成的产品来定!线圈数,我们也要给验。电路参数,对于电子元件,就那几个:电阻,电容,二极管,三极管,电感,热敏,压敏,场管,变压器,保险,集成电路等。


各个元件的组合,也就是我们的基本电路:放大,滤波,隔离,信号源,稳压,比较,电流放大,电压放大等常驻用电路。当然还要加上自己想出来的一些独立电路!


所以,可以把电源板看成一个统一体,然后有所需用常用电路相拼。这样就能得出一款好的产品。对于新产品,要用自己比较了解又有把握的电路!如不是,设计出来的产品,在生产上问题就会非常多!


电源用通常理解的话说:是一种可以为电子电器提供合适电压,电流,波形与频率的转换装置!比如:直流电源,可以理解为频率为零,波形为直线的电源。交流电源,可以理解为电压交替变换(正负在两电极间转换),有频率,波形的电源!


不管哪一种电源,都可以用微分积分数学把它在任一点时间内的值求解,且有唯一解,比如:方波,是有无数量级的正弦波组成,因此,方波可以分解为奇次谐波与牛次谐波,我们一般取值3次谐波就可以满足要求,占功率最大部分是基波。


由于现在的电源采用的变压器基本上为高频磁心,所以场效应管就成为主要的功率器件!大家都明白,场效应管是工作在开关状态的,所以以它作为功率管,电源输出的都是脉冲方波,因此场效应管为功率的电源都带有很大份量的谐波与基波!


对于场效应管为开关功率管的电源,还要明白的就是:场效应管所生产的损耗90%是在开通至关断的时间内生产的,因为开通与关断时间内都有一个很大的瞬间电阻!所以解决开关电源问题,其实主要的工作就是如何减小开通,关断损耗,对于谐波,可以通过滤波器来解决!


我们还有一点要明白的就是:场效应管对瞬间变化的电压很敏感,所以给它供电的电源必须电压要稳定!


最后要明白的就是:它的栅极电阻很大,一点点电压就可以让其开通,基本上不要求有电流。所以场效应管是一种电压控制元件。

使用好场效应管的注意事项:


1、供电电压要稳定。

2、控制好开通,关断损耗。

3、适当降低栅极电阻,防止误导通。

4、要有低通放电电路与速充电电路,因为场管是栅极有电容,其电容充电要快,放电也要快!所以要用图腾柱电路。


如何设计一款好电源:

第一:确定你的电源功率与输入电压。由电源功率选择开关管的开关电流,变压器体积,输入电压确定开关管的耐压与变压器输入圈数。

第二 :不管何种电压,电源功率,用到场管都要有低通放电与速充电电路。

第三:变压器要有吸收电路,把谐波吸收。

第四:场管栅极内阻要用电阻接地拉低。

第五:要选择合适的开关频率,保证静太损耗最小的同时,场管转换效率最高。

第六:对于输入电压超过75V时,要考滤谐振电路作为负助功能电路。

第七:功率过大时,要考滤PFC电路接入设计中。

第八:驱动信号要稳定!且要有5V以上。


不管是开关电源,逆变电源,高频设计成为主要的技术手段与主流!对于很多没计过电源或是对电源设计还未达到项目开发能力的人来说,一想到设计,就会想到各种各样的计算模式!这种想法是对的,但做法是错的!


真正的电源高手从来不去计算太多的。就算元件有1000个,也不会动笔去算得太多!但出来的电源却是效果超好。


再谈一下电源设计工具


电源设计过程是一项极为艰难的工作,从对复杂电路的理解到寻求芯片经销商的帮助,没有一件是轻松容易的事情。分享几种主流的电源设计工具,利用现有的一些软件和硬件工具,降低电源设计的复杂度,将电源设计真正掌握在自己手中。


1、SIMetrix/SIMPLIS


SIMetrix/SIMPLIS美国Transim公司开发的软件包。它包含两个仿真内核-SIMetrix和SIMPLIS,共用一个原理图编辑界面,界面简单,相对更容易掌握。其中SIMetrix是在SPICE和XSPICE基础上开发出来的混合信号电路仿真器,它和其他SPICE类仿真软件类似,可以精确分析电路元件工作的暂态过程。SIMPLIS是以状态空间法为基础的仿真内核,它的元器件采用分段线性的建模方式,运算效率很高,仿真速度是一般SPICE类仿真软件的10到50倍。并可以直接进行开关电源的小信号分析。适合于电源系统分析,设计和优化。


SIMetrix SPICE本质上和PSpice等仿真软件相似,此外还它还提供了丰富的分析模式,以AC分析为例,标准SPICE只能进行频率扫描,SIMetrix SPICE可以提供5种扫描模式。例如通过对固定频率下的放大器直流输入电压扫描,查看输入偏置及其增益的关系曲线,或进行放大器源电阻噪声扫描分析给出优化值等等。同时可对电路做蒙特卡罗等分析,优化电路性能。


SIMPLIS是“Simulation For Piecewise Linear System”首字母缩写词。专门为开关电源系统的快速建模仿真而设计。SIMPLIS对非线性器件采用分段线性建模,将一个完整的系统定义为线性电路拓扑的循环序列,以描述开关电源系统中半导体器件的开关特性。因此可以取得很高的速度,同样硬件配置下,其仿真速度比SPICE类软件快10到50倍,这一特点是SIMPLIS在工程应用中尤其是电源行业里与其他仿真软件竞争的优势所在。其缺点在于分段线性模型没有利用非线性方程描述的SPICE模型精确,因此在模拟实际电路波形方面,如开关电流,电压尖刺等开关暂态过程可借助SIMetrix。


SIMPLIS具有两种独有的分析模式,POP(Period Operating Point)分析和AC分析。POP分析是一种快速确定开关电源稳态工作点的算法。在这种分析模式下,电路无需进行较长时间电路启动瞬态仿真,就可快速确定开关系统的稳态工作点。它比通常意义上的瞬态仿真快100倍以上。大幅缩短了仿真时间。SIMPLIS另一个非常突出的特点是可直接对开关电源进行小信号分析。我们知道传统的静态频率扫描方法并不适用于开关电路。


通常设计人员需要再次解析开关电源的状态方程建立平均模型,建模难度较大,要求工程设计人员具备较好的拓扑分析和控制理论基础。SIMPLIS的AC分析不需要获得平均模型即可得到频域响应,它模拟真实硬件电路的扫频测量方法。在创建好的原理图中加入AC扰动源即可进行小信号分析。其分析过程可简单描述为首先开始POP分析,计算出系统的稳态工作点,然后进行小信号扫描,得出所需频域曲线。


2、PI Expert Suite


PI Expert 是PI公司推出的一款用于单片开关电源的计算机辅助设计软件,也称为PI Expert专家系统,目前的版本是9.0。它能根据设计人员的要求,在输入了一系列技术指标以后,自动生成电路拓扑、设计结果、材料清单、PCB布局、变压器参数和结构等。在1-5分钟内,就可以完成一款单片开关电源的设计工作。目前支持的单片IC有以下几类:


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


LinkSwitch-II PI Expert Suite 9.0。新版软件现在增加了对其LinkSwitch™-PL和LinkSwitch-PH LED驱动器IC以及近期推出的TinySwitch™-4离线式开关IC产品系列的设计支持。V9.0还附带一款增强的电路原理图处理工具,借助这个工具,设计师可将自动生成的电路原理布局图所创建的最终BOM上传至选定、可满足设计需求的领先分销商。


PI Expert:是自动化的图形用户界面(GUI)程序,它可以根据用户的电源规格参数,自动生成围绕Power Integrations某一IC产品系列的电源转换方案。PI Expert可提供构建和测试工作原型所需的所有必要信息。这些信息包括完整的交互式电路原理图、物料清单(BOM)、电路板布局建议以及详细的电气参数表。PI Expert还可提供完整的变压器设计,包括磁芯尺寸、线圈圈数、适当的线材规格以及每个绕组所用的并绕线数。此外,还可生成详细的绕组机械装配说明。该程序可以将设计时间从数天缩短至几分钟。


PI Xls Designer:PI Xls Designer是基于设计表格的应用程序,能让电源设计师在设计过程中获得更多的控制。同时,也提供包括详细的绕组机械装配说明在内的变压器构建支持。PI Xls Designer根据您提供的有关输入、输出以及其他所有必需的设计规格来执行所有必要的计算,以设计和评估采用Power Integrations的IC的电源转换方案。


3、webench


自从德州仪器于1999年推出 WEBENCH 网上设计工具后,设计工程人员便可在数分钟内于网上创建出可靠的电源供电电路,用户只要输入所要求的电路性能, WEBENCH 工具套件便可完成设计。今天,WEBENCH 设计工具可以在数秒间创建和展示出所有符合设计要求的可行方案,包括电源供应器、照明系统和传感电路等,让用户可在决定设计方案前,从系统和供应链的角度比较来自不同设计的数值,而这种专业的分析工具在业内可说是唯一的。


所有这些设计工具都可通过 WEBENCH Visualizer 接口提供出多个不同的完整系统选择 (一目了然的数值比较!) ,而设计工程人员只需调校 WEBENCH 优化旋钮便可从大小、效率和系统成本的角度调整结果。。


WEBENCH 设计工具中的经济效益系统(Eco-System 是促成这种数值式比较的关键,当中包含超过 110 个不同的组件供货商和电子零件分销商,该 Eco-System 可提供超过 21.000 款组件的电气和物理特性,而且其网上价格和供货数据可每小时更新。目前,WEBENCH 设计工具可支持简体中文、日文和英文三种语言。


采用 WEBENCH 设计工具,您只需进行几个步骤便可在数分钟内创建一个设计:

定义系统的性能要求,包括光输出、传感器精确度或电压和电流;

选择您偏爱的 FPGA、LED 或组件供货商;

在可视荧幕上从大小、成本、效率和简易度检讨最后得出来的完整解决方案;

分析和调整最后得出来的拓扑和组件供货商;

打印项目或设计报告或订购短时间付运的完整建模 (Build It) 套件;

今天决定设计,明天进行组装;

配合超过150万个成功设计,使 WEBENCH 设计工具的创意无限。


4、SwitcherPro


SwitcherPro 软件为您提供电源设计的电路图和布局建议。一旦您运行了软件,您便会注意到窗口左侧的 EVM 设计选项。例如,您会在给出的列表中找到 TPS54331 EVM。


SwitcherPro 工具还为您提供了修改电路要求的机会,甚至可以修改示意图中的组件。通过复制 EVM 设计,然后选择编辑电路选项,便可以进行修改。这样一来,您就可以修改 DC/DC 转换器的输入最小值和最大值,也可以修改输出电压和电流要求。软件还具有一般分析、应力分析、效率分析和回路分析功能,方便您评估电路。


为了完成设计,您需要返回到您的评估模块,按照 SwitcherPro 的建议修改各项值,然后对您的新电路进行测试和验证。最后,如果您是在线工作,便可以轻松地同其它人分享您的设计。


您现在一定可以说:“我能自己进行这种电源设计了”。电源设计自然也就在掌控之下! 

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