活学活用 LTspice 进行电路设计 — DC-DC 转换器仿真

文章来源
Macnica Engineer

活学活用 LTspice 进行电路设计 — DC-DC 转换器仿真

《活学活用 LTspice 进行电路设计》系列专辑由多篇文章构成,涵盖了 LTspice 的软件下载、入门指南、具体的设计仿真攻略等,引领大家在 LTspice 电路仿真设计中从入门到精通。

在上篇《活学活用 LTspice 进行电路设计 — 基础操作流程》中,我们以线性稳压器 IC-T3045 为例,介绍了 LTspice 制作电路图及仿真的方法。本文将以降压转换器 LT8640 为例,向大家介绍关于 DC-DC 转换器中开关稳压器的高速仿真功能。

DC-DC 转换器性能评估要素

电源电路设计中标准的性能评估要素如下:

  • 输出纹波电压
  • 转换效率
  • 电源启动时,检查输出电压过冲情况和浪涌电流
  • SW 节点波形、输出瞬态响应等

在实际器件上检查以上要素是必不可少的步骤,但在制作电路板之前,通过在桌面上计算并验证设计值同样也非常重要。因此,对电路设计人员来说,使用 LTspice 代替复杂的手动计算,能够方便且轻松地进行基本特性的桌面计算。

LTspice 是一个非常有用的软件工具,不仅可以用于预先验证设计,还可以用于分析实际器件上出现的操作问题。下文将介绍如何用 LTspice 进行检查,重点说明输出纹波电压和电源的转换效率两大要素。

输出纹波电压

使用 LT8640 的原理图

首先我们先对 LT8640 进行简要说明:它是一个同步降压转换器,其额定电流为 5A,输入电压范围为 3.4V~42V,可输出范围为 0.97V~41V。

如下图 (图1) 所示:电路配置了输入电压 (绿色) 为 12V,输出电压 (蓝色) 为 5V 的电路 (左侧),器件的工作频率设置为 2MHz。像这样先用 LTspice 制作电路图,判断是否能从输入电压产生预期的输出电压就一目了然了。目前看来,红框内的 5V 波形很稳定,但此时的纹波电压是多少呢?

图1 LT8640 原理图和输入/输出波形图
图1 LT8640 原理图和输入 / 输出波形图

如何计算输出纹波电压

降压转换器的输出纹波电压可通过下图 (图2) 公式估算:
左侧为纹波电压设计目标值 ΔVout,右侧由输出电容 Cout、其 ESR 值、电感纹波电流值 ΔIL 和 IC 工作频率 f 组成。

图2 波纹计算公式
图2 波纹计算公式

作为一种设计方法,对左侧的目标值,用右侧的公式估算实际纹波电压值,并进行 Cout 等调整,直到满足公式。 由于使用的部件存在差异,并且 ΔIL 会根据输入电压的变化而变化,因此存在多种计算模式,需花费一些时间和精力。

如何用 LTspice 显示输出纹波波形

通过 LTspice 进行以下操作,可以直观地看到纹波电压,如下图 (图3) 所示:

第一步:将鼠标移动到上图 5V 波形中的红框处;
第二步:左键单击并拖动要测量的区域;

图3 鼠标操作图
图3 鼠标操作图

重复步骤二,直到可以清楚地看到几个周期的波形,如下图 (图4) 所示:

图4 波纹放大图
图4 波纹放大图

若放大波形的垂直范围不能很好地拟合,左键单击工具栏上 “Autorange” 图标,自动调整范围。如下图 (图5) 所示:

图5 Autorange 图标
图5 Autorange 图标

如何检查准确的纹波电压

虽然可以通过上文被放大的波形中读取大概的纹波电压值,但为了查看准确的数字,需如以下步骤操作:

第一步:左键单击要测量的范围的一个点,将其拖动到另一点,如下图 (图6)所示:

图6 鼠标操作示意图
图6 鼠标操作示意图

第二步:在窗口左下方的状态栏中查看 dx 和 dy 测量数据。

如下图 (图7) 所示,状态栏中显示的 dx=1.985MHz 和 dy=2.95mV 分别表示波形的频率 (周期) 和幅度。 从这个结果可以看出,纹波电压在电流电路恒定的情况下保持较小数值,工作频率约为设定的 2MHz。

图7 状态栏显示 dx 和 dy 测量数据图
图7 状态栏显示 dx 和 dy 测量数据图

如果要用的 Cout 的电感 L 和输入电压 Vin 发生变化,在 LTSpice 上更改相关部分的属性,然后再次运行仿真检查 ΔVout 即可。此外,如果您不习惯鼠标操作,可以在波形上添加光标进行测量。详情请在菜单栏的“Help”->“Help Topics” 中搜索 “attached cursors”。

电源转换效率

在使用电池的应用中,为了延长驱动时间,往往需要高效率运行。因而,在启动实际器件前,需要先核对 IC 厂商的评估板的 IC 能力,但这需要花费时间,而且有可能出现评估板不可用,或者评估版不满足使用规格的情况。下文将介绍如何估算和模拟电源的转换效率。

实测时的效率计算

以上述电路为例,这部分将介绍 LTspice 的自动计算效率方法。通过测量输入 / 输出电压和电流,并将数据代入以下公式来计算DC-DC转换器的效率:

η=Vout*Iout/ (Vin*Iin)*100%

Vout 和 Iout 为输出电压和输出电流、Vin 和 Iin 为输入电压和输入电流。

用 LTspice 进行自动计算

在 LTspice 中,在计算 DC-DC 转换器的效率时,电路的输入电压源被视为输入功率 (Vin * Iin),而输出电流源或 Rload 中指定的电阻是输出功率 (Vout * Iout)。LTspice 自动检测电路的稳态,使用稳态约 10 个周期的数据计算功率损耗等,并自动计算电路的转换效率。

看似复杂,按以下操作将稳态检测设置添加到正常时域 .tran 分析设置中即可:

第一步:打开菜单栏 “Simulate” 下的 “Edit simulation cmd”,勾选 “Stop simulating if steady state is detected” 复选框,再次运行仿真,如下图(图8、图9)所示: 

图8 菜单栏中选择 “Simulate”
图8 菜单栏中选择 “Simulate”
图9 打开 Edit simulation cmd
图9 打开 Edit simulation cmd

第二步:该模拟的完成状态与通常的 .tran 分析不同,在输出电压扩大的状态下停止,如下图 (图10) 所示:

图10 模拟完成时
图10 模拟完成时

如何读取计算结果

使用鼠标在菜单栏 “View” → “Efficiency Report” 中选择 “Show on schematic”,计算结果显示在原理图底部。
如下图 (图11) 所示:

图11 查看效率报告
图11 查看效率报告

如下图 (图12) 效率报告所示,LTspice 不仅计算了效率的最终结果,还计算了包括 IC 在内的每个外围组件的消耗量。当我们想要提高效率的时候,它能够提示应该进一步减少哪些组件的损耗。

此外,以 LT8640 为例,当输入电路是 12V,输出电路是 5V 时,在 1A 负载下的效率为 96.8%。出现这样结果的原因与 LTspice 中电路的常数 (包括外围组件的属性) 有关,即电路条件越接近实际电路,仿真结果就越精准。

图12 效率报告
图12 效率报告

总结

LTspice 的竞争力在于可以通过如上所述的简单操作,轻松检查 DC-DC 转换器的特性。另外,由于外设常数的参数易变,因此 LTspice 非常便于制作电路板前检查特性,同时优化外设常数。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。

 

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