使用LTspice仿真功能檢查SW節(jié)點波形和輸出瞬態(tài)響應

在上篇《活學活用 LTspice 進行電路設計 — 電源啟動時的評估要素》中，我們以一般降壓電源為例，介紹了檢查輸出電壓過沖和浪涌電流的方法?；仡櫼幌拢?a target="_blank">DC-DC 轉(zhuǎn)換器性能評估一般包括以下四個要素：

輸出紋波電壓

轉(zhuǎn)換效率

電源啟動時，檢查輸出電壓過沖和浪涌電流

SW 節(jié)點波形、輸出瞬態(tài)響應等

前三個要素在以往的 LTspice 系列文章中均已分點解析，而本文將介紹如何使用 LTspice 仿真功能，檢查 SW 節(jié)點波形以及輸出瞬態(tài)響應。

SW 節(jié)點波形

通過觀察 SW 節(jié)點波形，可以直觀地檢查電源線路是否正常運作。本文將繼續(xù)以降壓轉(zhuǎn)換器 LT8640 為例，其規(guī)格設為 Vin=12V、Vout=5V、Iout=1A、fsw=2MHz。

計算負載率 (Duty Cycle)

開關穩(wěn)壓器是一種內(nèi)部開關元件，重復切換開 / 關以獲得恒定輸出。通過高速重復該操作，將輸出電壓調(diào)整到規(guī)定值，這一個周期內(nèi)的開 / 關時間比率稱為負載率 (Duty Cycle)。代入 LT8640 輸入 / 輸出電壓值分別為 12V / 5V，用以下公式計算：

Duty Cycle [%] = Vout / Vin，即 5V / 12V = 41.6 [%]

計算可得，LT8640 電源的負載率 (Duty Cycle) 為 41.6%。接下來，通過觀察實際波形，確認該負載率值 (Duty Cycle) 是否正確，并判斷電源的運作情況。

檢查 SW 節(jié)點波形

按照以下步驟進行模擬和檢查 SW 節(jié)點波形。

第一步：單擊下圖 (圖1) 電路中的 SW 節(jié)點 (如紅框所示)，可確認 SW 節(jié)點波形：

圖1 確認 SW 節(jié)點波形

第二步：檢查開關電源的一個周期時間是否符合設計值。這個周期時間可以通過開關頻率的倒數(shù)來計算，代入 LT8640 fsw=2MHz，得出一個周期時間為 500ns。

如下圖 (圖2) 所示，把鼠標移動并保持在想測量的地方，測量值將顯示在左下角處。當前測量值為 499.24ns，幾乎接近 500ns，說明該電源線路在正常運作。

圖2 確認1個周期時間

第三步：確認開啟 (ON) 時間。如下圖 (圖3) 所示，同樣通過移動并保持鼠標，檢查一個周期內(nèi)的開啟 (ON) 時間 。確認左下角處的測量值，可以看到此時開啟 (ON) 時間為 211.07ns。用以下公式進行計算：

Duty Cycle [%]=(Ton / T) × 100，即 (211.07ns / 499.24ns) × 100 = 42.3 [%]

計算可得，負載率 (Duty Cycle) 為 42.3%，這與上文提及的 LT8640 電源負載率理論值 41.6% 大致相同，故可以判斷該電源為在正常運作。

圖3 確認開啟 (ON) 時間

通過觀察 SW 節(jié)點波形，計算負載率 (Duty cycle) 數(shù)值，能夠直觀地判斷電源的運作情況。根據(jù)電源 IC 的不同，對負載率也有 “ 最小開啟時間 ”和 “ 最小關閉時間 ” 的限制，因此檢查 SW 節(jié)點波形是非常重要的電源評估要素之一。

補充說明

假設輸出電壓恒定為 5V，當輸入電壓分別設為 8V / 24V 時，觀察這兩種情況下的差異。如下圖 (圖4、圖5) 所示：

圖4 輸入電壓為 8V 時的情況

圖5 輸入電壓為 24V 時的情況

由上述圖數(shù)據(jù)可知，當輸入電壓變小時，開啟 (ON) 時間變長;當輸入電壓變大時，開啟 (ON) 時間變短。關于這點，還能用負載率 (Duty Cycle) 計算公式 : Vout / Vin 進行驗證。另外，也可以試試改變輸出電壓，或者變換其他條件進行仿真模擬。

輸出瞬態(tài)響應

輸出瞬態(tài)響應指輸出對急劇負載變動的響應特性。換言之，即輸出電壓在下降或上升后，恢復到到設定值所需的時間或波形。電壓變動大的話，會影響后續(xù)電路 (例如 FPGA 供電電源的高精度要求);如果恢復到設定值的時間較晚，可能會對整個系統(tǒng)造成影響。在電源評估中，檢查瞬態(tài)響應性同樣也很重要，以下介紹使用 LTspice 輕松檢查的方法。

檢查輸出瞬態(tài)響應

與檢查 SW 節(jié)點波形一樣，此處也使用 LT8640 電路進行說明。其規(guī)格設為 Vin=12V，Vout=5V，fsw =2MHz。檢查輸出瞬態(tài)響應時，負載無論是電阻器還是電流源都可以模擬。以下介紹使用電流源的方法。按照下述步驟進行模擬：

第一步：將原來的 Rload 更改為電流源。從屏幕上方的 GUI 中選擇 “ component ”。如下圖 (圖6) 所示：

圖6 將負載更改為電流源1

第二步：彈出 Select Component Symbol 窗口后，輸入 “ load2 ”。如下圖 (圖7) 所示：

圖7 將負載更改為電流源2

如上圖 (圖7)，點擊 OK，并插入有負載的位置。如下圖 (圖8) 所示：

圖8 將負載更改為電流源3

第三步：在電流源上單擊鼠標右鍵。顯示 Current Source - I1，選擇 Advanced，如下圖 (圖9) 所示：

圖9 設定電流源1

彈出 Independent Current Source - I1 窗口后，選擇 PULSE，在 I1[A]-Ton[s] 填框中輸入下圖 (圖10) 所示的數(shù)據(jù)：

圖10 設定電流源2

第四步：最后更改模擬的運行時間。上述設定的脈沖電流在 1.5ms 內(nèi)出現(xiàn)，如果保持 “.tran1m startup ” 狀態(tài)，模擬將在脈沖電流出現(xiàn)之前結(jié)束。更改方法為，在 “.tran1mstartup ” 命令上單擊鼠標右鍵，在 Edit Simulation Command 上 將 Stop time 更改為 “ 2.5m ”，如下圖(圖11)所示。注意，不要忘記單位 m (毫秒)。

圖11 更改模擬運行時間

第五步：以上步驟完成后，點擊運行按鈕。仿真模擬結(jié)束后，鼠標左鍵單擊 OUT 端子和電流源。查看兩個波形后，放大瞬態(tài)響應部分，單擊 “ Autorange ”。如下圖 (圖12) 所示：

圖12 運行輸出瞬態(tài)響應仿真模擬

用 “ Autorange ” 放大后、讀取最大值和最小值，并計算 p-p 值。如下圖 (圖13) 所示：

圖13 用 Autorange 放大瞬態(tài)響應部分

根據(jù)不同的應用程序和系統(tǒng)，對精準度的要求也不同，請按住鼠標操作和使用光標，嘗試獲得一個精準值。輸出瞬態(tài)響應的特性一般取決于相位補償電路和輸出電容器，并且其結(jié)果會根據(jù)它們的常數(shù)而波動。如本文所述，我們可以通過仿真模擬輕松檢查，因此在改變電路條件的同時，獲得每個系統(tǒng)最適合的輸出瞬態(tài)響應。

補充說明

關于 “ Autorange ” 更多信息，請參考之前文章《活學活用 LTspice 進行電路設計 — DC-DC 轉(zhuǎn)換器仿真》。

總結(jié)

結(jié)合之前發(fā)布的 LTspice 系列文章，我們介紹了 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的 4 個評估要素。以降壓轉(zhuǎn)換器 LT8640 為例介紹了各項功能，這些功能也可以應用于升壓、升降壓 IC。此外，關于 GUI 按鈕和命令操作，其他放大器和濾波電路等也同樣適用，大家可以多嘗試將其應用于各種 IC 模擬。