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电源工程师的必备技能有哪些?

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CC_Tasya
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LV6
高级工程师
  • 2024-1-29 11:38:52

随着电源市场的不断扩张,开关电源行业飞速发展,企业对电源工程师的需求日益增加,对电源工程师的技能要求也日渐提高,相信没有一位电源工程师会错过让自己变得更优秀的机会。作为一名在森木磊石的数字电源从业者,小编今天就带大家细数一下优秀电源工程师具备的那些技能。


一、新手必备课程

成为一名电源高手需要扎实的理论基础,涉及电路原理、语言编程和控制理论等多个学科领域。为了帮助大家更好地掌握电源开发相关的关键知识点,我们整理了以下图表,以供大家进行参考,查漏补缺。

工程师技能_01.jpg

二、进阶技能

在掌握了扎实的电源理论基础知识后,就正式进入我们技能提升的阶段啦。接下来我们从电源开发的各个阶段出发,对电源工程师需要具备的技能来一一进行分析梳理。

1、建模仿真

电路建模仿真是电源工程师必备技能之一。它是电源开发过程中不可或缺的一个环节,可以帮助工程师们验证设计方案的准确性与可行性。

电源建模仿真软件根据研究方向分为电气仿真和磁器件仿真:电气仿真软件:PSIM、Matlab、Pspice等;磁件仿真软件:Maxwell、JMAG、FLUX、Saber等;

熟练掌握这些仿真软件后,电源工程师能够对电路进行定性、定量的分析,指导磁性器件设计,有助于提升电源开发效率。

电源新手在学习初期,如果实验设备不足,可以利用仿真软件进行电路模型搭建,从而快速、直观地了解电源的工作原理。

2、器件参数选型

参数选型时,需要工程师进行电路关键参数的计算,计算方法可以参考论文资料或一些成熟的应用案例,也可以借助现有的参数计算小工具。这里为大家整理了各类器件在选型时需要关注的参数:

工程师技能_03.jpg

开关电源中的磁性元件对于电源的效率和功率密度具有重要影响,因此在选取时需要特别谨慎。根据统计数据,磁性元件的损耗约占总损耗的30%,而它们的体积占整个电路的20%~30%。因此,在选择磁性元件时,需要平衡效率和功率密度之间的关系,以减小高频效应带来的损耗。

开关电源中主要的磁性元件是变压器和电感。主变压器是高频开关电源的主要发热元件,其设计至关重要。主变压器的磁芯应具备低损耗、高饱和磁感应强度、温度系数小、宽工作温度范围以及μ值随B值变化小等特点。

滤波电感的磁芯选择需要具备以下几特点:温度系数小,电感量随时间的变化率小;线性度好,在不同的工作电流下电感量的变化小;电损耗和磁损耗低。

3、PCB绘制

常用的PCB绘制软件有Protel、Altium designer等。工程师需要根据设计方案绘制电源的PCB原理图,随后根据元器件选型制作其封装库,完成PCB板布线(需考虑接地、EMC等问题),最后将PCB图交厂家生产,任务完成!

为了帮助大家更科学合理地排版,以减少后续电源调试时可能出现的不必要麻烦,我们整理了以下PCB绘制的小tips:

  • VIN和GND路径应尽可能宽,以降低路径阻抗,有利于散热;
  • 高压与低压、功率与控制部分、原边与副边尽量分开;
  • 输入和输出电容应尽可能靠近IC,最小化路径阻抗;
  • 高频功率回路面积不宜过大;
  • 尽量反馈采样采到输出端口;
  • 控制芯片的外围器件时应贴近芯片;
  • 驱动电阻应紧靠MOS开关管;
  • 干扰源应远离输入端口及易受干扰电路。

4、嵌入式程序开发

要成为出色的电源工程师,编程是不可或缺的技能之一。在数字电源领域,常见的控制核心包括DSP、MCU和FPGA等。DSP和MCU通常使用C语言进行开发,而FPGA则主要采用硬件语言VHDL/Verilog。嵌入式功能涵盖了电压电流采样、通讯、滤波处理、PWM信号控制、闭环控制算法、软件保护等多个方面。在实际嵌入式程序开发过程中可采用分层设计思想进行功能开发:

硬件驱动层:在硬件驱动层的设计过程中,首要任务是深入了解芯片内部外设的使用方法,可以通过直接操作寄存器或者使用相关库文件配置外设的硬件驱动。工程师需要掌握数字电源常见的硬件驱动技术,包括ADC采样、信号I/O、PWM、硬件保护等,并进行定时器、中断和Flash的配置。

功能模块层:在进行数字电源的MCU功能模块开发时,需要编写滤波算法和控制算法。滤波算法主要用于软件层面降低采集信号中的高频干扰,而闭环控制算法则是确保输出稳定性的关键。此外,还需要配置通讯模块和缓启动模块,以实现与上位机的通讯和缓解上电冲击。

逻辑应用层:在逻辑应用层编程时,需要特别关注时序控制和环路控制。定义时序约束时,应考虑时钟频率、时序操作的持续时间、数据传输速率、电路延迟和时序冲突等因素。同时,需要设计电源状态切换和外设操作。在进行外设驱动开发时,可以参考标准库和驱动库中的示例代码,并考虑资源占用情况,尽量降低中断延迟。

5、电源调试

电源调试是让许多工程师感到头疼的环节,除了验证电源的基本功能外,各种EMC测试、整机效率测试、待机功耗测试、冲击电流测试、电压应力测试、饱和测试、输出纹波测试、输出过冲测试、保护测试和耐压测试等项目让人应接不暇。

以下是常规的电源测试流程:

工程师技能_05.jpg

在调试较大型的电路系统时,需要将总体电路按功能分成若干个模块,对每个模块分别进行调测。调试顺序可以按照信号的流向逐个进行,逐步扩大调试范围,最终完成总体调试。对于小型电路或需要相互配合、不能分块调试的系统,则需要将整个电路组装完毕后,直接进行整体调试。

电路连接完成后不要急于通电,应先认真检查连线是否正确,是否有接错线、少接线和多接线的现象;检查电源线、地线、信号线、各元器件引脚之间有无短路;观察各连线处有无接触不良。

通电检查:把经过准确测量符合要求的电源接入电路,并观察稳压电源或电路是否有异常现象发生,如有则应立即切断电源,待故障排除后方可再次通电。

森木磊石提醒您:检查无误后,可以先对电源的外围功能进行检测,如电源采样是否准确,产生的PWM驱动信号是否符合需求,数字信号输入输出端口以及电源的保护功能是否能正常工作。

随后可以进行电源主电路拓扑的开环调试,验证电路的开环控制效果。验证无误后进行功率器件可靠性验证,然后进行闭环测试,检测电源的闭环控制效果是否符合预期。

最后,进行电源长时间运行测试,验证装置的稳定运行能力,确保电源长时间运行无故障。测试的过程中,大家应认真规范记录和分析测试数据,并做出测试结论。如发现性能指标与要求不符,应分析问题原因,并对电路进行调整,以确保最终电路各项指标符合要求。

纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行。电源设计工作中涉及技术范围广泛, 想要成为一名优秀的电源工程师,除了不断学习各项技能提升自己的能力以外,还需在实践中积累电源设计经验,不断总结思考。相信相信的力量,总有一天你也会成为能够独当一面的人。


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