Бесплатные программные средства разработки упрощают создание источников питания. Часть 1

При выборе блока питания разработчик или производитель сталкиваются с нелегким выбором: купить готовый источник или создать свой собственный «с нуля». Совсем недавно в таких случаях принималось почти автоматическое решение в пользу первого варианта. Однако ужесточение требований к уровню энергоэффективности привело к тому, что производители электронных компонентов начали предлагать отличные бесплатные программные инструменты, значительно упрощающие жизнь разработчикам, желающим создавать свои собственные решения от начала и до конца. Эти же инструменты помогают разрабатывать уникальные решения, которые попросту отсутствуют на рынке в готовом виде.
2415
В избранное

С постоянным ростом потребления энергии базовым требованием, предъявляемым к современным источникам питания, стала высокая эффективность. Давайте в качестве примера рассмотрим программу ARPA-E, в которую Министерство энергетики США инвестировало $ 37,7 млн. Программа ARPA-E направлена на повышение энергоэффективности систем преобразования энергии и обеспечение высокой эффективности силовой электроники. Это касается как потребительского сегмента, мобильных и компьютерных приложений, так и беспроводной инфраструктуры, систем освещения, промышленного оборудования и автомобильной техники. Причиной такого внимания стало исследование департамента энергетики, согласно которому к 2030 году 80% электроэнергии в стране будет проходить через различные преобразователи мощности, в то время как в 2005 году эта доля составляла всего 30%.

При выборе блока питания разработчик или производитель сталкиваются с нелегким выбором: купить готовый источник или создать свой собственный «с нуля». Совсем недавно в таких случаях принималось почти автоматическое решение в пользу первого варианта. Однако ужесточение требований к уровню энергоэффективности привело к тому, что производители электронных компонентов начали предлагать отличные бесплатные программные инструменты, значительно упрощающие жизнь разработчикам, желающим создавать свои собственные решения от начала и до конца. Эти же инструменты помогают разрабатывать уникальные решения, которые попросту отсутствуют на рынке в готовом виде.

Именно поэтому в настоящее время следует хорошо подумать, прежде чем сразу покупать готовый блок питания.

Зачем покупать?

Использование готового источника питания имеет целый ряд значительных преимуществ.

Снижение стоимости. При самостоятельном производстве общая стоимость элементов, входящих в спецификацию блока питания, будет значительно выше цены готового источника. Это вызвано разницей в объемах производства. Например, стоимость компонентов 5-вольтового источника питания на 30 А примерно в 5 раз больше стоимости готового блока.

Сокращение времени выхода на рынок. Скорость выпуска изделия на рынок значительно возрастает благодаря сокращению потерь времени на разработку и отладку. Кроме того, основные ресурсы компании можно использовать более эффективно.

Наличие требуемых сертификатов. Использование готовых источников питания устраняет необходимость в затратах на получение сертификатов и одобрений от различных агентств. Кроме того, стандарты и правила могут быть изменены, а покупка готового решения гарантирует соблюдение самых актуальных требований. Вот лишь некоторые стандарты и требования, которые следует учитывать:

  • мировые стандарты электробезопасности;
  • мировые стандарты технической совместимости ЭМС;
  • глобальные правила энергопотребления и эффективности для внешних источников питания и зарядных устройств;
  • специальные сертификаты от, например, медицинских организаций и так далее.

Качество и надежность. Готовые источники питания, как правило, проходят тщательную проверку для подтверждения заявленных нагрузочных, температурных и вибрационных характеристик. Некоторые продукты даже поставляются с расширенной гарантией.

Наличие аналогов. Выбирая продукты, выпускаемые в стандартных форм-факторах, разработчик может, в случае необходимости, перейти на аналоги от других производителей.

Сегодня создание собственного источника питания оказывается проще, чем раньше

Рассмотрим некоторые наиболее интересные инструменты проектирования (некоторые из них требуют регистрации на сайте), которые будут полезны как экспертам, так и неопытным разработчикам блоков питания.

Texas Instruments

 При работе с онлайн-инструментом PowerLabReference Design Library от пользователя требуется ввести исходные данные для разрабатываемого источника питания, в том числе - тип входного напряжения (переменное или постоянное), необходимость развязки (изолированный или неизолированный), диапазоны входного и выходного напряжений, величину выходного тока и другие, например - приложение или топологию. После этого выполняется поиск в базе данных TI, которая сейчас включает более 1200 готовых решений, построенных и протестированных TI. Далее пользователю предоставляется возможность скачать полный спектр документации для выбранного источника питания - принципиальную схему, файлы печатной платы (PCB), спецификацию, протокол испытаний и Gerber-файлы.

Онлайн-инструмент Power Stage Designer ™ 4 помогает спроектировать силовую часть блока питания. Для начала следует выбрать топологию (понижающий, повышающий, обратноходовой и так далее) и задать параметры источника, после чего программа предложит рекомендуемые параметры дросселя и/или трансформатора, а также предоставит полезную информацию о коэффициенте заполнения, входной мощности, потерях на диодах, уровне пульсаций и прочем.

При использовании приложения WEBENCH® Power Designer полный процесс разработки источника питания выполняется с помощью нескольких кликов (рисунок 1). Для начала необходимо ввести исходные данные, далее - выбрать тип оптимизации (по уровню эффективности, по габаритам, по конечной стоимости), после чего программа предложит множество подходящих решений на базе модулей, интегральных преобразователей и контроллеров с внешними силовыми транзисторами. Из полученного списка вам останется выбрать наиболее оптимальный вариант для электрического и теплового моделирования, а также для оптимизации перечня компонентов. В конце разработчику останется только экспортировать свою схему и макет в формат используемого CAD для дальнейшего аппаратного прототипирования.

EE-Sim-Design_1s.jpg (60 KB)

Рис. 1. Скриншот TI WEBENCH Power Designer Tool

Fairchild Semiconductor

 Power Supply WebDesigner – онлайн-инструмент от компании Fairchild, который поддерживает такие топологии источников питания как обратноходовой преобразователь первичной обмотки, обратноходовой преобразователь вторичной обмотки, импульсный источник питания, изолированный преобразователь AC-DC, понижающий DC-DC-преобразователь, изолированный DC-DC-преобразователь и другие. При использовании этого инструмента от разработчика требуется только ввести исходные данные и тип оптимизации. Программа позволяет анализировать и моделировать получаемое решение и автоматически генерировать схему и спецификацию.

International Rectifier

 SupIRBuck® Design Tool – онлайн-инструмент от IR для проектирования DC-DC-преобразователей. Данная утилита использует основные параметры и дополнительные требования, задаваемые разработчиком и генерирует список наиболее подходящих преобразователей. Из этого списка пользователь выбирает оптимальное решение. Программа создает подробную схему и спецификацию с возможностью тонкой настройки. Среди основных особенностей SupIRBuck® Design Tool можно отметить: полный AC-анализ, моделирование сигналов основных напряжений и токов, моделирование переходных процессов, подробный тепловой анализ и анализ рассеивания мощности.

Maxim Integrated

 EE-Sim Design Generation and Simulation Tool – онлайн-инструмент от компании Maxim, который позволяет задавать требования к конечному решению, выбирать предпочтительные компоненты и выполнять моделирование получаемого источника питания (рисунок 2). Программа также позволяет распечатывать схему, спецификацию и проверять наличие компонентов у поставщиков, включая Mouser.

Алгоритм проектирования в программе EE-Sim Design Generation and Simulation Tool от Maxim

Рис. 2. Алгоритм проектирования в программе EE-Sim Design Generation and Simulation Tool от Maxim

ON Semiconductor

 GreenPoint® Design Tool – онлайн-инструмент от ON Semiconductor, проектирующий и моделирующий линейные, AC-DC- и DC-DC-источники питания для светодиодов.

Power Integrations

 Веб-программа PI Expert Online автоматически генерирует преобразователь с учетом исходных данных. Этот инструмент предоставляет все необходимое для сборки и тестирования прототипа:

  • комплексный отчет по трансформатору, являющийся, по сути, инструкцией по изготовлению;
  • электрические и механические диаграммы;
  • инструкции по обмоткам;
  • спецификацию (перечень элементов);
  • рекомендации по трассировке печатной платы.

Заключение

Создание источников питания по-прежнему требует значительного опыта и обширных знаний, и считается своего рода искусством даже среди опытных разработчиков. Тем не менее, новые бесплатные инструменты и ресурсы позволяют значительно упростить процесс разработки.

Сравнение позиций

  • ()