如何使用LTspice為LED驅(qū)動器生成波特圖

擁有（昂貴）設(shè)備和相應(yīng)經(jīng)驗的工廠專家應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂苹芈废辔缓驮鲆鏈y量。對于那些無法訪問其中一個或任何一個的人，還有另一種選擇。

閉環(huán)增益和相位圖是用于確定開關(guān)穩(wěn)壓器中控制環(huán)路穩(wěn)定性的常用工具。正確進(jìn)行增益和相位測量時，需要訪問和熟悉精美的網(wǎng)絡(luò)分析儀。測量包括斷開控制環(huán)路、注入噪聲以及在頻率掃描中測量所得增益和相位（參見圖 1）。這種測量控制回路的做法很少應(yīng)用于 LED 驅(qū)動器。

LED 驅(qū)動器控制環(huán)路相位和增益測量需要不同的方法（參見圖 1）——偏離典型的電阻分壓器路徑到 GND 穩(wěn)壓器注入和測量點。在這兩種情況下，臺式控制環(huán)路相位和增益測量是保證穩(wěn)定性的最佳方式，但并非每個工程師都可以輕松獲得所需的設(shè)備并訪問經(jīng)驗豐富的工廠應(yīng)用程序團(tuán)隊。這些工程師是做什么的？

一種選擇是構(gòu)建 LED 驅(qū)動器并查看它如何響應(yīng)瞬變。瞬態(tài)響應(yīng)觀察需要應(yīng)用板和更常見的臺式設(shè)備。瞬態(tài)分析的結(jié)果缺少波特圖基于頻率的增益和相位數(shù)（可用于保證穩(wěn)定性），但它們可以作為一般控制回路穩(wěn)定性和速度的指標(biāo)。

大信號瞬態(tài)可用于檢查絕對偏差和系統(tǒng)響應(yīng)時間。瞬態(tài)干擾的形狀表示相位或增益裕度，因此可用于了解一般環(huán)路穩(wěn)定性。例如，臨界阻尼響應(yīng)可能表示 45° 到 60° 的相位裕度?；蛘?，瞬態(tài)期間的大尖峰可能表明需要更多的 COUT 或更快的環(huán)路。較長的建立時間可能表明需要加快環(huán)路的帶寬（和交叉頻率）。這些相對簡單的系統(tǒng)檢查能夠?qū)﹂_關(guān)穩(wěn)壓器的控制環(huán)路進(jìn)行動態(tài)表征，但需要增益和相位波特圖進(jìn)行更深入的分析。

LTspice 仿真可用于在組裝或制造電路之前生成開關(guān)穩(wěn)壓器輸出瞬態(tài)和波特圖。這有助于粗略了解控制回路的穩(wěn)定性——補(bǔ)償元件選擇和輸出電容器尺寸的起點。根據(jù) Middlebrook 在 1975 年的最初建議使用 LTspice 的過程有充分的記錄（請參閱“ LTspice：生成 SMPS 波特圖的基本步驟”）。 1 Middlebrook 方法中規(guī)定的實際信號注入位置現(xiàn)在并不常用，但多年來一直在調(diào)整，導(dǎo)致常用的注入位置如圖 1a 所示。

此外，帶有高邊檢測電阻器和復(fù)雜交流電阻 LED 負(fù)載的 LED 驅(qū)動器的注入點應(yīng)該與今天的注入點或 Middlebrook 在反饋路徑中的原始建議不同，這是以前未在 LTspice 中展示的。此處介紹的方法展示了如何在 LTspice 和實驗室中生成 LED 驅(qū)動器電流檢測反饋環(huán)路波特圖。

生成控制環(huán)波特圖

標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)穩(wěn)壓器控制回路波特圖產(chǎn)生三個關(guān)鍵測量值，可用于確定穩(wěn)定性和速度：

相位裕度

交叉頻率（帶寬）

獲得利潤

人們普遍認(rèn)為，穩(wěn)定的系統(tǒng)需要 45° 至 60° 的相位裕度，而保證環(huán)路穩(wěn)定性則需要 –10 dB 的增益裕度。交叉頻率與一般環(huán)路速度有關(guān)。圖 1 顯示了使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行這些測量的設(shè)置。

LTspice 仿真可用于在 LED 的控制回路中創(chuàng)建類似的注入和測量。圖 2 顯示了一個 LED 驅(qū)動器 （ LT3950 ），其具有給定頻率 （f） 的理想正弦波，直接注入負(fù)檢測線 （ISN） 上的反饋路徑。測量點 A、B 和 C 用于計算注入頻率 （f） 下的增益 （dB） 和相位 （°）。為了繪制整個控制環(huán)路波特圖，必須在大頻率掃描中重復(fù)該測量，在 fSW/2（轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率的一半）處停止。

圖 1. 使用網(wǎng)絡(luò)分析儀對 （a） 穩(wěn)壓器和 （b） LED 驅(qū)動器進(jìn)行的開關(guān)穩(wěn)壓器控制環(huán)路波特圖測量。為了進(jìn)行測量，控制環(huán)路被破壞，正弦擾動推入高阻抗路徑，同時測量得到的控制環(huán)路增益和相位，使設(shè)計人員能夠量化環(huán)路的穩(wěn)定性。

圖 2. 具有控制環(huán)路噪聲注入和測量點的 LT3950 DC2788A 演示電路 LED 驅(qū)動器 LTspice 模型。

圖 2 中點 A、B 和 C 的測量確定了控制回路在注入頻率 （f） 下的增益和相位。不同的注入頻率產(chǎn)生不同的增益和相位。為簡單起見，并了解其工作原理，可以設(shè)置注入頻率并測量 AC 和 BC 的增益和相位。這會產(chǎn)生控制回路波特圖的單個頻率點。圖 3a 和 3b 顯示了 10 kHz ±10 mV AC 注入的增益和相位。圖 3c 和 3d 顯示了 40 kHz ±10 mV AC 注入的增益和相位。

頻率掃描以及 BC 和 AC 之間的增益和相位測量構(gòu)成了整個閉環(huán)波特圖。正如摘要中提到的，這通常是在工作臺上使用花哨的（即昂貴的）網(wǎng)絡(luò)分析儀完成的。在 LTspice 中也可以進(jìn)行這種掃描，如圖 4 所示。通過將它們與使用網(wǎng)絡(luò)分析儀的臺式測試結(jié)果進(jìn)行比較來確認(rèn)這些結(jié)果（參見圖 8）。

圖 3. 圖 2 中 A、B 和 C 點的測量確定了注入頻率 （f） 下控制回路的增益和相位。不同的注入頻率產(chǎn)生不同的增益和相位。圖 3a 和 3b 顯示了 10 kHz ±10 mV AC 注入的增益和相位。圖 3c 和 3d 顯示了 40 kHz ±10 mV AC 注入的增益和相位。頻率掃描以及 BC 和 AC 之間的增益和相位測量構(gòu)成了閉環(huán)波特圖。

圖 4. 使用 LTspice 中的 LT3950 進(jìn)行的波特圖測量顯示增益（實線）和相位（虛線）。

在 LTspice 中進(jìn)行全增益和相位掃描和繪圖

要在控制回路的 LTspice 中創(chuàng)建完整的波特圖、增益和相位的圖形掃描，請按照以下步驟操作。

第 1 步：創(chuàng)建交流注入源

在 LTspice 中，插入 ±10 mV 交流注入電壓源和注入電阻，并標(biāo)記節(jié)點 A、B 和 C，如圖 2 所示。交流電壓源值 SINE（0 10m {Freq}） 設(shè)置 10 mV 峰值并掃描頻率。用戶可以使用 1 mV 和 20 mV 之間的峰值正弦值。請記住，許多 LED 驅(qū)動器的感應(yīng)電壓為 250 mV 和 100 mV。較高的注入噪聲會產(chǎn)生 LED 電流調(diào)節(jié)誤差。

第 2 步：添加數(shù)學(xué)

在原理圖上插入 .measure 語句作為 .sp （SPICE） 指令。這些指令執(zhí)行傅里葉變換并計算 LED 驅(qū)動器的復(fù)雜開環(huán)增益和相位（以 dB 和相位為單位）。

以下是指令：

.measure Aavg 平均 V（a）-V（c）

.measure Bavg avg V（b）-V（c）

.measure 是 avg （V（a）-V（c）-Aavg）*cos（360*time*Freq）

.measure Aim avg -（V（a）-V（c）-Aavg）*sin（360*time*Freq）

.measure Bre avg （V（b）-V（c）-Bavg）*cos（360*time*Freq）

.measure Bim avg -（V（b）-V（c）-Bavg）*sin（360*time*Freq）

.measure GainMag 參數(shù) 20*log10（hypot（Are，Aim） / hypot（Bre，Bim））

.measure GainPhi 參數(shù) mod（atan2（Aim， Are） - atan2（Bim， Bre）+180，360）-180

步驟 3：設(shè)置測量參數(shù)

需要更多的小指令。首先，為了進(jìn)行正確的測量，電路必須處于模擬的穩(wěn)定狀態(tài)（過去的啟動）。調(diào)整 t0 或測量的開始時間和停止時間。通過啟動仿真并觀察啟動時間，可以估計或獲取啟動時間。在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，停止時間選擇為 10/freq 或 10 個周期 - 通過對每個頻率平均超過 10 個周期來減少錯誤。

以下是指令：

.param t0=0.2m

.tran 0 {t0+10/freq} {t0} 啟動

.step oct 參數(shù)頻率 1K 1M 3

第 4 步：設(shè)置頻率采樣步長和范圍

.step 命令設(shè)置執(zhí)行分析的頻率分辨率和范圍。在本例中，仿真從 1 kHz 運行到 1 MHz，分辨率為每倍頻程三個點。波特圖測量精度高達(dá) fSW/2，因此頻率上限應(yīng)設(shè)置為系統(tǒng)開關(guān)頻率的一半。顯然，更多的點可以提高分辨率，但模擬需要更長的時間。每倍頻程三個點是分辨率的低端，但以最小分辨率運行模擬可以節(jié)省一些時間。然而，從整體設(shè)計周期圖來看，5 分鐘的仿真比設(shè)計、組裝和測試 PCB 快幾個數(shù)量級?？紤]到這一點，您可能只想以更高的分辨率運行，例如每倍頻程五個或更多點，以產(chǎn)生更完整且更易于查看的結(jié)果。

第 5 步：運行模擬

看起來很簡單，但 LTspice 需要多個生產(chǎn)步驟來生成波特圖。第一步是運行仿真，它不會（還）產(chǎn)生繪圖，而是顯示正常的示波器電壓和電流測量值。按照接下來的步驟生成波特圖。

第 6 步：生成波特圖

通過右鍵單擊原理圖窗口并選擇 Plot .step‘ed .meas data 打開 SPICE 錯誤日志。從 Plot Settings Menu 中選擇 Visible Traces 并選擇 Gain 以繪制數(shù)據(jù)?；蛘?，可以通過單擊文件并選擇將數(shù)據(jù)導(dǎo)出為文本來導(dǎo)出測量數(shù)據(jù)，以生成波特數(shù)據(jù)的 CSV 文件。

使用網(wǎng)絡(luò)分析儀確認(rèn)波特圖——超越模擬

控制回路的模擬不如真實的那樣可靠，不應(yīng)用于完全保證回路穩(wěn)定性和裕度。在設(shè)計過程的某個階段，應(yīng)使用網(wǎng)絡(luò)分析儀工具在實驗室中驗證控制回路。

LTspice 中生成的波特圖可以與網(wǎng)絡(luò)分析儀波特圖測量結(jié)果進(jìn)行比較。就像模擬一樣，實際的環(huán)路測量是通過將噪聲注入反饋環(huán)路并測量和處理 AB 和 AC 增益和相位來捕獲的。測量設(shè)置原理圖和照片如圖 5 至圖 7 所示。

圖 5. 使用網(wǎng)絡(luò)分析儀的 LED 驅(qū)動器控制環(huán)路波特圖測量設(shè)置。

圖 6. Venable System 5060A 老式網(wǎng)絡(luò)分析儀，用于 LED 驅(qū)動器的高端浮動噪聲注入和測量。

圖 7. LT3950 LED 驅(qū)動器上的噪聲注入和測量點。

圖 8. LT3950 LED 驅(qū)動器在 DC2788A 演示電路上的波特圖。通過 LTspice 模擬（藍(lán)線）生成的圖與使用網(wǎng)絡(luò)分析儀（綠線）生成的圖具有很強(qiáng)的相關(guān)性。

表 1. LT3950 LED 驅(qū)動器的 LTspice 與網(wǎng)絡(luò)分析儀的波特圖測量數(shù)據(jù)比較

LTspice 仿真結(jié)果顯示與網(wǎng)絡(luò)分析儀數(shù)據(jù)有很強(qiáng)的相關(guān)性，證明 LTspice 是 LED 驅(qū)動器設(shè)計中的一個有用工具——生成粗略的基線以幫助工程師縮小組件選擇范圍。較低頻率的增益和相位緊跟硬件，較高頻率的仿真和硬件數(shù)據(jù)之間的差異更大。這可能代表了對高頻極點、零點、寄生電感、電容和等效串聯(lián)電阻進(jìn)行建模的挑戰(zhàn)。

結(jié)論

LTspice 建模可用于測量控制環(huán)路增益和相位，從而為 LED 驅(qū)動器生成波特圖。LTspice 仿真數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性取決于所使用的 SPICE 模型的準(zhǔn)確性，盡管仔細(xì)建模每個組件以考慮實際行為是以增加仿真時間為代價的。出于 LED 驅(qū)動器設(shè)計的目的，即使沒有完美的組件建模，LTspice 數(shù)據(jù)也可用于相對快速地縮小組件范圍和預(yù)測一般電路行為。工作仿真有助于在過渡到硬件實現(xiàn)之前指導(dǎo)設(shè)計工程師，從而節(jié)省整體設(shè)計時間。

　　作者：Keith Szolusha ，Brandon Nghe

審核編輯：郭婷