活学活用 LTspice 进行电路设计 — 评估输出瞬态响应
在上篇《活学活用 LTspice 进行电路设计 — 电源启动时的评估要素》中，我们以一般降压电源为例，介绍了检查输出电压过冲和浪涌电流的方法。回顾一下，DC-DC 转换器性能评估一般包括以下四个要素：
- 输出纹波电压
- 转换效率
- 电源启动时，检查输出电压过冲和浪涌电流
- SW 节点波形、输出瞬态响应等
前三个要素在以往的 LTspice 系列文章中均已分点解析，而本文将介绍如何使用 LTspice 仿真功能，检查 SW 节点波形以及输出瞬态响应。
SW 节点波形
通过观察 SW 节点波形，可以直观地检查电源线路是否正常运作。本文将继续以降压转换器 LT8640 为例，其规格设为 Vin=12V、Vout=5V、Iout=1A、fsw=2MHz。
计算负载率 (Duty Cycle)
开关稳压器是一种内部开关元件，重复切换开 / 关以获得恒定输出。通过高速重复该操作，将输出电压调整到规定值，这一个周期内的开 / 关时间比率称为负载率 (Duty Cycle)。代入 LT8640 输入 / 输出电压值分别为 12V / 5V，用以下公式计算：
Duty Cycle [%] = Vout / Vin，即 5V / 12V = 41.6 [%]
计算可得，LT8640 电源的负载率 (Duty Cycle) 为 41.6%。接下来，通过观察实际波形，确认该负载率值 (Duty Cycle) 是否正确，并判断电源的运作情况。
检查 SW 节点波形
按照以下步骤进行模拟和检查 SW 节点波形。
第一步：单击下图 (图1) 电路中的 SW 节点 (如红框所示)，可确认 SW 节点波形：
第二步：检查开关电源的一个周期时间是否符合设计值。这个周期时间可以通过开关频率的倒数来计算，代入 LT8640 fsw=2MHz，得出一个周期时间为 500ns。
如下图 (图2) 所示，把鼠标移动并保持在想测量的地方，测量值将显示在左下角处。当前测量值为 499.24ns，几乎接近 500ns，说明该电源线路在正常运作。
第三步：确认开启 (ON) 时间。如下图 (图3) 所示，同样通过移动并保持鼠标，检查一个周期内的开启 (ON) 时间 。确认左下角处的测量值，可以看到此时开启 (ON) 时间为 211.07ns。用以下公式进行计算：
Duty Cycle [%]=(Ton / T) × 100，即 (211.07ns / 499.24ns) × 100 = 42.3 [%]
计算可得，负载率 (Duty Cycle) 为 42.3%，这与上文提及的 LT8640 电源负载率理论值 41.6% 大致相同，故可以判断该电源为在正常运作。
通过观察 SW 节点波形，计算负载率 (Duty cycle) 数值，能够直观地判断电源的运作情况。根据电源 IC 的不同，对负载率也有 “ 最小开启时间 ”和 “ 最小关闭时间 ” 的限制，因此检查 SW 节点波形是非常重要的电源评估要素之一。
补充说明
假设输出电压恒定为 5V，当输入电压分别设为 8V / 24V 时，观察这两种情况下的差异。如下图 (图4、图5) 所示：
由上述图数据可知，当输入电压变小时，开启 (ON) 时间变长；当输入电压变大时，开启 (ON) 时间变短。关于这点，还能用负载率 (Duty Cycle) 计算公式 : Vout / Vin 进行验证。另外，也可以试试改变输出电压，或者变换其他条件进行仿真模拟。
输出瞬态响应
输出瞬态响应指输出对急剧负载变动的响应特性。换言之，即输出电压在下降或上升后，恢复到到设定值所需的时间或波形。电压变动大的话，会影响后续电路 (例如 FPGA 供电电源的高精度要求)；如果恢复到设定值的时间较晚，可能会对整个系统造成影响。在电源评估中，检查瞬态响应性同样也很重要，以下介绍使用 LTspice 轻松检查的方法。
检查输出瞬态响应
与检查 SW 节点波形一样，此处也使用 LT8640 电路进行说明。其规格设为 Vin=12V，Vout=5V，fsw =2MHz。检查输出瞬态响应时，负载无论是电阻器还是电流源都可以模拟。以下介绍使用电流源的方法。按照下述步骤进行模拟：
第一步：将原来的 Rload 更改为电流源。从屏幕上方的 GUI 中选择 “ component ”。如下图 (图6) 所示：
第二步：弹出 Select Component Symbol 窗口后，输入 “ load2 ”。如下图 (图7) 所示：
如上图 (图7)，点击 OK，并插入有负载的位置。如下图 (图8) 所示：
第三步：在电流源上单击鼠标右键。显示 Current Source - I1，选择 Advanced，如下图 (图9) 所示：
弹出 Independent Current Source - I1 窗口后，选择 PULSE，在 I1[A]-Ton[s] 填框中输入下图 (图10) 所示的数据：
第四步：最后更改模拟的运行时间。上述设定的脉冲电流在 1.5ms 内出现，如果保持 “.tran1m startup ” 状态，模拟将在脉冲电流出现之前结束。更改方法为，在 “.tran1mstartup ” 命令上单击鼠标右键，在 Edit Simulation Command 上 将 Stop time 更改为 “ 2.5m ”，如下图（图11）所示。注意，不要忘记单位 m (毫秒)。
第五步：以上步骤完成后，点击运行按钮。仿真模拟结束后，鼠标左键单击 OUT 端子和电流源。查看两个波形后，放大瞬态响应部分，单击 “ Autorange ”。如下图 (图12) 所示：
用 “ Autorange ” 放大后、读取最大值和最小值，并计算 p-p 值。如下图 (图13) 所示：
根据不同的应用程序和系统，对精准度的要求也不同，请按住鼠标操作和使用光标，尝试获得一个精准值。输出瞬态响应的特性一般取决于相位补偿电路和输出电容器，并且其结果会根据它们的常数而波动。如本文所述，我们可以通过仿真模拟轻松检查，因此在改变电路条件的同时，获得每个系统最适合的输出瞬态响应。
补充说明
关于 “ Autorange ” 更多信息，请参考之前文章《活学活用 LTspice 进行电路设计 — DC-DC 转换器仿真》。
总结
结合之前发布的 LTspice 系列文章，我们介绍了 DC-DC 转换器的 4 个评估要素。以降压转换器 LT8640 为例介绍了各项功能，这些功能也可以应用于升压、升降压 IC。此外，关于 GUI 按钮和命令操作，其他放大器和滤波电路等也同样适用，大家可以多尝试将其应用于各种 IC 模拟。欲了解更多技术细节和 LTspice 相关操作，您可以点击下方「联系我们」，提交您的需求，我们骏龙科技公司愿意为您提供更详细的技术解答。
相关阅读