如何使用LTspice生成LED驅(qū)動器的波德圖
摘要
適當(dāng)?shù)?strong>控制環(huán)路相位和增益測量應(yīng)由擁有(昂貴的)設(shè)備和相應(yīng)經(jīng)驗的工廠專家進行。如果缺少其中一個或兩個都沒有,則還有另一種選擇。
簡介
閉環(huán)增益和相位圖是用于確定開關(guān)調(diào)節(jié)器控制環(huán)路穩(wěn)定性的常用工具。正確完成增益和相位測量需熟悉高級網(wǎng)絡(luò)分析儀。測量包括斷開控制環(huán)路、注入噪聲,以及測量一定頻率范圍內(nèi)的增益和相位(見圖1)。這種測量控制環(huán)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采用一種不同的方法(見圖1)——從典型的電阻分壓路徑到GND電壓調(diào)節(jié)器注入和測量點的偏差。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)定性的最佳方法,但并非每個工程師都有所需的設(shè)備和經(jīng)驗豐富的工廠應(yīng)用程序團隊加持。工程師們該怎么辦呢?
一種選擇是構(gòu)建LED驅(qū)動器,查看它瞬態(tài)的響應(yīng)。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)果缺乏波德圖基于頻率的增益和相位數(shù)據(jù)——可用于保證穩(wěn)定性,也可作為一般控制環(huán)路穩(wěn)定性和速度的指示器。
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)擾動的形狀表示相位或增益裕量,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°至60°的相位裕度。或者,瞬態(tài)期間的大尖峰可能表示需要更多的COUT或更快的環(huán)路。較長的建立時間可能表示需要加快環(huán)路的帶寬(和交越頻率)。這些相對簡單的系統(tǒng)檢查能夠在運行中描繪開關(guān)調(diào)節(jié)器的控制環(huán)路,但增益和相位波德圖需要進行更深入的分析。
LTspice®仿真可用在組裝或生產(chǎn)電路之前生成開關(guān)調(diào)節(jié)器輸出的瞬變波形和波德圖。這有助于大致了解控制環(huán)路的穩(wěn)定性,以便開始選擇補償元件和確定輸出電容大小。LTspice的使用過程基于1975年Middlebrook的最初建議(請參閱“LTspice:生成SMPS波德圖的基本步驟”)。目前,Middlebrook的方法中列出的實際信號注入位置并不常用,但經(jīng)過多年的調(diào)整,得出了如圖1a所示的常用注入位置。
此外,帶有高邊檢測電阻和復(fù)雜交流電阻LED負載的LED驅(qū)動器,在反饋路徑中應(yīng)有一個不同于目前的注入點或Middlebrook最初建議的注入點,LTspice此前未予說明。這里介紹的方法是展示如何在LTspice和實驗室中生成LED驅(qū)動器電流測量反饋環(huán)路波德圖。
產(chǎn)生控制環(huán)路波德圖
標準開關(guān)調(diào)節(jié)器控制環(huán)路波德圖產(chǎn)生三個關(guān)鍵測量值,用于確定穩(wěn)定性和速度:
?相位裕量
?交越頻率(帶寬)
?增益裕量
一般認為,穩(wěn)定的系統(tǒng)需要45°至60°的相位裕度,而為保證環(huán)路穩(wěn)定性則需要–10 dB的增益裕量。交越頻率與一般環(huán)路速度有關(guān)。圖1顯示了使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進行這些測量的設(shè)置。
LTspice模擬可用在LED的控制環(huán)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),給定頻率(f)的理想正弦波直接注入到負感測線(ISN)的反饋路徑中。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)路的波德圖,必須在大頻率掃描范圍內(nèi)重復(fù)該測量,并在fSW/2(轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率的一半)處停止。
圖1.開關(guān)調(diào)節(jié)器控制環(huán)路波德圖測量,帶有網(wǎng)絡(luò)分析儀,用于(a)電壓調(diào)節(jié)器和(b)LED驅(qū)動器。
為了進行測量,控制環(huán)路斷開,正弦波擾動進入高阻抗路徑,同時測量由此產(chǎn)生的控制環(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.LT3950 DC2788A演示電路LED驅(qū)動器LTspice模型,帶控制環(huán)路噪聲注入和測量點
圖2中點A、點B和點C的測量值決定了注入頻率(f)下控制環(huán)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??傊?,為了解它的工作原理,可以設(shè)置注入頻率,并測量A-C和B-C的增益和相位。這會產(chǎn)生控制環(huán)路波德圖的單個頻率點。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B-C和A-C之間的增益和相位測量生成整個閉環(huán)波德圖。如摘要中所述,這通常是在工作臺上使用一臺昂貴的網(wǎng)絡(luò)分析儀來完成的。在LTspice中也可進行這種掃描,如圖4所示。通過與使用網(wǎng)絡(luò)分析儀的臺式測試結(jié)果進行比較,證實這些結(jié)果(見圖8)。
圖3.圖2中點A、點B和點C的測量值決定了注入頻率(f)下控制環(huán)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B-C和A-C之間的增益和相位測量生成閉環(huán)波德圖。
圖4.用LTspice中的LT3950進行波德圖測量,顯示增益(實線)和相位(虛線)
在LTspice中創(chuàng)建全部增益和相位掃描和波德圖
要在LTspice中為控制環(huán)路創(chuàng)建全部波德圖、增益和相位的圖形掃描,請按照下列步驟操作。
第1步:創(chuàng)建交流電注入源
在LTspice中,插入±10 mV AC注入電壓源和注入電阻,并標記節(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至20 mV的正弦峰值來進行計算。注意:許多LED驅(qū)動器的感應(yīng)電壓分別為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Math
在原理圖上將測量描述作為.sp(SPICE)指令插入。這些指令執(zhí)行傅里葉變換公式,并以dB和相位計算LED驅(qū)動器的復(fù)數(shù)開環(huán)增益和相位。
各指令如下:
.measure Aavg avg V(a)-V(c)
.measure Bavg avg V(b)-V(c)
.measure Are 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 param 20*log10(hypot(Are,Aim) / hypot(Bre,Bim))
.measure GainPhi param mod(atan2(Aim, Are) - atan2(Bim, Bre)+180,360)-180
第3步:設(shè)置測量參數(shù)
還需要一些小的指令。首先,為進行正確的測量,電路必須處于模擬的穩(wěn)定狀態(tài)(啟動后)。調(diào)整t0,或測量的開始時間和停止時間。通過模擬和觀察啟動時間來估算或得出開始時間。達到穩(wěn)定狀態(tài)后,停止時間定為10/freq,即10個周期,通過對每個頻率的10個周期求平均值來減少誤差。
各指令如下:
.param t0=0.2m
.tran 0 {t0+10/freq} {t0} startup
.step oct param freq 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。本例中,使用每倍頻程3點的分辨率,模擬1 kHz到1 MHz。波德圖測量可以精準到fSW/2,頻率上限設(shè)置為系統(tǒng)開關(guān)頻率的一半。顯然,點越多,分辨率越高,仿真時間越長。每倍頻程3點是最低的分辨率,但以最小分辨率運行仿真可節(jié)省一些時間。從總體設(shè)計周期看,5分鐘的仿真比設(shè)計、組裝和測試印刷電路板快幾個數(shù)量級?;谶@點,以更高的分辨率運行,例如每倍頻程5點或以上,生成更完整且更容易查看的結(jié)果。
第5步:運行仿真
這會比較直觀,但LTspice需要多個步驟制作波德圖。第一步是運行仿真,暫不生成圖,只顯示正常范圍的電壓和電流測量值。按照以下步驟生成波德圖。
第6步:制作波德圖
右鍵單擊原理圖窗口,打開“SPICE錯誤日志” ,選擇Plot .step’ed .meas data。從“畫圖設(shè)置目錄”中選擇“可見曲線”,然后選擇“增益”來繪制數(shù)據(jù)?;蛘?,可通過單擊文件,然后選擇將數(shù)據(jù)導(dǎo)出為文本,產(chǎn)生波德數(shù)據(jù)的CSV文件,導(dǎo)出測量數(shù)據(jù),在仿真之后,使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進行波德圖確認。
控制環(huán)路的仿真不像真實的那樣可靠,它不能完全保證環(huán)路的穩(wěn)定性和裕度。在設(shè)計過程的某個階段,應(yīng)在實驗室使用網(wǎng)絡(luò)分析儀工具驗證控制環(huán)路。
LTspice中生成的波德圖可以與網(wǎng)絡(luò)分析儀的波德圖測量結(jié)果比較。類似放真,通過將噪聲注入反饋環(huán)路并測量和處理A-B和A-C的增益和相位來捕獲實際的環(huán)路測量結(jié)果。測量設(shè)置示意圖和照片如圖5至圖7所示。
圖5.網(wǎng)絡(luò)分析儀的LED驅(qū)動器控制環(huán)路波德圖測量設(shè)置
圖6.Venable System Model 5060A老式網(wǎng)絡(luò)分析儀,用于高邊浮動噪聲注入和LED驅(qū)動器的測量
圖7.LT3950 LED驅(qū)動器上的噪聲注入和測量點
圖8.DC2788A演示電路板上的LT3950 LED驅(qū)動器的波德圖。
通過LTspice模擬生成的圖(藍線)與使用網(wǎng)絡(luò)分析儀生成的圖(綠線)相關(guān)性強。
表1.LT3950 LED驅(qū)動器的波德圖測量數(shù)據(jù)比較,LTspice vs.網(wǎng)絡(luò)分析儀
測試設(shè)置 |
交越頻率(Hz) |
增益裕量(dB) |
相位裕度(°) |
網(wǎng)絡(luò)分析儀,8 VIN |
16.75 |
17.47 |
83.96 |
LTspice,8 VIN |
15.8 |
13.79 |
71.23 |
網(wǎng)絡(luò)分析儀,12 VIN |
30.41 |
18.71 |
83.73 |
LTspice,12 VIN |
47.36 |
5.04 |
62.29 |
Ltspice仿真結(jié)果顯示與網(wǎng)絡(luò)分析儀數(shù)據(jù)的強相關(guān)性,證明LTspice是LED驅(qū)動器設(shè)計中的有效工具——產(chǎn)生大概的參考,幫助工程師縮小元件選擇范圍。較低頻率下的增益和相位與硬件非常相近,較高頻率下的仿真數(shù)據(jù)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)電阻建模的挑戰(zhàn)。
結(jié)論
LTspice建模用于測量控制環(huán)路增益和相位,生成LED驅(qū)動器的波德圖。Ltspice仿真數(shù)據(jù)的精確度取決于所使用的SPICE模型的精確度,精確地建模每個元件以解決現(xiàn)實情況會增加仿真時間。就LED驅(qū)動器設(shè)計而言,沒有完善的元件建模,LTspice數(shù)據(jù)也可用于相對較快地縮小元件范圍并預(yù)測總體電路性能。仿真有助于在過渡到硬件設(shè)計之前指導(dǎo)設(shè)計工程師,節(jié)省總體設(shè)計時間。粗略地選擇元件后,使用內(nèi)置板和網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量可以確認或?qū)Ρ确抡娼Y(jié)果,作為開發(fā)期間硬件驗證的一種手段。
參考資料:
1 Gabino Alonso.“LTspice:生成SMPS波德圖的基本步驟。Analog Devices, Inc.
作者簡介Keith Szolusha是ADI公司應(yīng)用總監(jiān),工作地點位于美國加利福尼亞州圣克拉拉。自2000年起,Keith任職于BBI Power Products Group,重點關(guān)注升壓、降壓-升壓和LED驅(qū)動器產(chǎn)品,同時還管理電源產(chǎn)品部的EMI室。他畢業(yè)于馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學(xué)院(MIT),1997年獲電氣工程學(xué)士學(xué)位,1998年獲電氣工程碩士學(xué)位,專攻技術(shù)寫作。
Brandon Nghe是Analog Devices的應(yīng)用工程師。2020年獲得加利福尼亞理工州立大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位。Brandon負責(zé)為汽車應(yīng)用設(shè)計和測試升壓、降壓-升壓和LED驅(qū)動器的低電磁干擾DC/DC變換器。