LTspice模擬可用在LED的控制環(huán)路中創(chuàng )建類(lèi)似的注入和測量。圖2顯示了一個(gè)LED驅動(dòng)器（LT3950），給定頻率（f）的理想正弦波直接注入到負感測線(xiàn)（ISN）的反饋路徑中。測量點(diǎn)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(gè)控制環(huán)路的波德圖，必須在大頻率掃描范圍內重復該測量，并在fSW/2（轉換器開(kāi)關(guān)頻率的一半）處停止。

 

圖2. LT3950 DC2788A演示電路LED驅動(dòng)器LTspice模型，帶控制環(huán)路噪聲注入和測量點(diǎn)。

 

圖2中點(diǎn)A、點(diǎn)B和點(diǎn)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，可以設置注入頻率，并測量A-C和B-C的增益和相位。這會(huì )產(chǎn)生控制環(huán)路波德圖的單個(gè)頻率點(diǎn)。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(gè)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(lái)完成的。在LTspice中也可進(jìn)行這種掃描，如圖4所示。通過(guò)與使用網(wǎng)絡(luò )分析儀的臺式測試結果進(jìn)行比較，證實(shí)這些結果（見(jiàn)圖8）。
 

圖3. 圖2中點(diǎn)A、點(diǎn)B和點(diǎn)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(jìn)行波德圖測量，顯示增益（實(shí)線(xiàn)）和相位（虛線(xiàn)）。

 

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，并標記節點(diǎn)A，B和C，如圖2所示。交流電壓源值SINE（0 10m {Freq}）設置10 mV峰值并掃描頻率。用戶(hù)可以使用1 mV至20 mV的正弦峰值來(lái)進(jìn)行計算。注意：許多LED驅動(dòng)器的感應電壓分別為250 mV和100 mV。較高的注入噪聲會(huì )產(chǎn)生LED電流調節誤差。

 

第2步：添加Math

在原理圖上將測量描述作為.sp（SPICE）指令插入。這些指令執行傅里葉變換公式，并以dB和相位計算LED驅動(dòng)器的復數開(kāi)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：設置測量參數

還需要一些小的指令。首先，為進(jìn)行正確的測量，電路必須處于模擬的穩定狀態(tài)（啟動(dòng)后）。調整t0，或測量的開(kāi)始時(shí)間和停止時(shí)間。通過(guò)模擬和觀(guān)察啟動(dòng)時(shí)間來(lái)估算或得出開(kāi)始時(shí)間。達到穩定狀態(tài)后，停止時(shí)間定為10/freq，即10個(gè)周期，通過(guò)對每個(gè)頻率的10個(gè)周期求平均值來(lái)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：設置頻率采樣步長(cháng)和范圍

.step命令設置執行分析的頻率分辨率和范圍。本例中，使用每倍頻程3點(diǎn)的分辨率，模擬1 kHz到1 MHz。波德圖測量可以精準到fSW/2，頻率上限設置為系統開(kāi)關(guān)頻率的一半。顯然，點(diǎn)越多，分辨率越高，仿真時(shí)間越長(cháng)。每倍頻程3點(diǎn)是最低的分辨率，但以最小分辨率運行仿真可節省一些時(shí)間。從總體設計周期看，5分鐘的仿真比設計、組裝和測試印刷電路板快幾個(gè)數量級?；谶@點(diǎn)，以更高的分辨率運行，例如每倍頻程5點(diǎn)或以上，生成更完整且更容易查看的結果。

 

第5步：運行仿真

這會(huì )比較直觀(guān)，但LTspice需要多個(gè)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(kāi)"SPICE錯誤日志"，選擇Plot .step''ed .meas data。從"畫(huà)圖設置目錄"中選擇"可見(jiàn)曲線(xiàn)"，然后選擇"增益"來(lái)繪制數據?；蛘?，可通過(guò)單擊文件，然后選擇將數據導出為文本，產(chǎn)生波德數據的CSV文件，導出測量數據。

 

在仿真之后，使用網(wǎng)絡(luò )分析儀進(jìn)行波德圖確認

 

控制環(huán)路的仿真不像真實(shí)的那樣可靠，它不能完全保證環(huán)路的穩定性和裕度。在設計過(guò)程的某個(gè)階段，應在實(shí)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果比較。類(lèi)似放真，通過(guò)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(lái)捕獲實(shí)際的環(huán)路測量結和照片如圖5至圖7所示。

 

 

圖5. 網(wǎng)絡(luò )分析儀的LED驅動(dòng)器控制環(huán)路波德圖測量設置。

 

 

圖6. Venable System Model 5060A老式網(wǎng)絡(luò )分析儀，用于高邊浮動(dòng)噪聲注入和LED驅動(dòng)器的測量。

 

圖7. LT3950 LED驅動(dòng)器上的噪聲注入和測量點(diǎn)。

 

 

圖8. DC2788A演示電路板上的LT3950 LED驅動(dòng)器的波德圖。通過(guò)LTspice模擬生成的圖（藍線(xiàn)）與使用網(wǎng)絡(luò )分析儀生成的圖（綠線(xiàn)）相關(guān)性強。

 

表1. LT3950 LED驅動(dòng)器的波德圖測量數據比較，LTspice vs.網(wǎng)絡(luò )分析儀

 

Ltspice仿真結果顯示與網(wǎng)絡(luò )分析儀數據的強相關(guān)性，證明LTspice是LED驅動(dòng)器設計中的有效工具——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據和硬件數據之間的差異更大。這可能代表了對高頻極點(diǎn)、零點(diǎn)、寄生電感、電容和等效串聯(lián)電阻建模的挑戰。

 

結論

 

LTspice建模用于測量控制環(huán)路增益和相位，生成LED驅動(dòng)器的波德圖。Ltspice仿真數據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(gè)元件以解決現實(shí)情況會(huì )增加仿真時(shí)間。就LED驅動(dòng)器設計而言，沒(méi)有完善的元件建模，LTspice數據也可用于相對較快地縮小元件范圍并預測總體電路性能。仿真有助于在過(guò)渡到硬件設計之前指導設計工程師，節省總體設計時(shí)間。粗略地選擇元件后，使用內置板和網(wǎng)絡(luò )分析儀的測量可以確認或對比仿真結果，作為開(kāi)發(fā)期間硬件驗證的一種手段。