分享使用 LTspice 進(jìn)行電源電路設(shè)計(jì)的技巧

LTspice 是一款功能強(qiáng)大、簡(jiǎn)單易用且免費(fèi)的 SPICE 仿真工具，在業(yè)界得到廣泛應(yīng)用。

列出了用于電源電路設(shè)計(jì)的 LTspice 的典型用例，并提供了 LTspice 使用的實(shí)用技巧。模擬器的這種解釋可以幫助工程師避免大量的手動(dòng)計(jì)算并減少開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。

?

電源電路設(shè)計(jì)流程

電源電路設(shè)計(jì)通常是一項(xiàng)繁瑣的工作，涉及以下步驟：

1. 寫(xiě)下關(guān)鍵規(guī)格（電壓范圍、溫度范圍、最大電流、保護(hù)電路、變化的負(fù)載條件、最大尺寸等）。
2. 選擇系統(tǒng)或電路的基礎(chǔ)架構(gòu)。
3. 預(yù)測(cè)系統(tǒng)每個(gè)部分所需的參數(shù)。
4. 找到最適合所選架構(gòu)的組件。
5. 設(shè)計(jì)原理圖。
6. 預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)電路的工作條件并檢查它們是否滿(mǎn)足關(guān)鍵規(guī)格。
7. 建立一個(gè)原型。
8. 測(cè)試原型并確認(rèn)已達(dá)到預(yù)測(cè)參數(shù)并滿(mǎn)足關(guān)鍵規(guī)格。
9. 如果不滿(mǎn)足關(guān)鍵規(guī)格，請(qǐng)進(jìn)行所需的更正（從第四步重新開(kāi)始）。

?

第四到第八步可能特別耗時(shí)。有時(shí)項(xiàng)目沒(méi)有按預(yù)期進(jìn)行，開(kāi)發(fā)時(shí)間延長(zhǎng)，設(shè)計(jì)師可能會(huì)被迫盡快完成項(xiàng)目。

當(dāng)測(cè)試原型（第 8 步）的結(jié)果與第 6 步預(yù)測(cè)的結(jié)果不同時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生這種不良情況。這經(jīng)常發(fā)生，因?yàn)闊o(wú)法根據(jù)數(shù)據(jù)表參數(shù)計(jì)算準(zhǔn)確的性能。

這就是現(xiàn)代模擬電路設(shè)計(jì)（和電源電路設(shè)計(jì)）廣泛使用仿真工具的原因，這些工具可以根據(jù)組件、電源、噪聲源等的互連模型預(yù)測(cè)系統(tǒng)行為。這些工具可以產(chǎn)生非常接近于用原型觀察到的結(jié)果。?

LTspice是功能強(qiáng)大且廣泛使用的SPICE 仿真應(yīng)用程序。它由 Analog Devices（最初由 Linear Technology）免費(fèi)提供。

?

注意：要下載本文提供的仿真文件，讀者必須安裝LTSpice。

?

圖1。 LTspice 可以從這里免費(fèi)下載。示例仿真文件可以從本文后面和本文末尾提供的仿真技巧中下載。

為什么要使用 LTspice 進(jìn)行電源電路設(shè)計(jì)？

從單組件仿真到完整系統(tǒng)仿真，LTspice 的靈活性使其可以用于各種仿真。

?

對(duì)于電源電路設(shè)計(jì)，LTspice 可以幫助：

加速設(shè)計(jì)和驗(yàn)證：可以在幾秒鐘或幾分鐘內(nèi)模擬電路，避免大量手動(dòng)計(jì)算，因此可以快速迭代試錯(cuò)過(guò)程，直到達(dá)到所需的結(jié)果。?

比較組件：更改組件并啟動(dòng)新模擬是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)，而在真實(shí)原型上執(zhí)行相同操作則需要一些時(shí)間。通過(guò)模擬選擇正確的組件可以提供很大的好處。

在不冒損壞風(fēng)險(xiǎn)的情況下檢查電路：測(cè)試電源電路時(shí)可能會(huì)發(fā)生損壞，維修可能非常耗時(shí)。在原型測(cè)試之前模擬電路可以在任何損壞之前突出問(wèn)題。?

易于測(cè)量：將電壓或電流探頭放入電路仿真中并查看波形非常容易且即時(shí)，而在實(shí)際電路中則不然。

模擬理想條件：理論想法和實(shí)際實(shí)現(xiàn)之間的不同結(jié)果可能會(huì)令人困惑。通過(guò) LTSpice 模擬器，可以使用理想元件（即理想二極管、無(wú)損耗電感器等）驗(yàn)證電路并檢查其在理想條件下的工作情況。?

上面的列表可以擴(kuò)展，因?yàn)槭褂孟?LTspice 這樣的模擬工具有很多原因。

?

現(xiàn)在我們將討論使用 LTspice 進(jìn)行電源電路設(shè)計(jì)的實(shí)用技巧。

?

提示 1. 如何生成效率報(bào)告

使用時(shí)域分析（.TRAN 指令），對(duì)于單輸入/單輸出電路，它可以自動(dòng)生成效率報(bào)告。該報(bào)告以表格的形式出現(xiàn)，其中包含：電路每個(gè)組件的輸入功率、輸出功率、效率計(jì)算、電流和功率。

在啟動(dòng)瞬態(tài)仿真之后，一旦電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件，就會(huì)計(jì)算參數(shù)。?

?

圖 2。

?

以下是生成效率報(bào)告的步驟：

1. 繪制包含單個(gè)電壓源（假定為輸入）和稱(chēng)為 Rload 的負(fù)載（假定為負(fù)載）的原理圖。
2. 右鍵單擊“.TRAN”指令并選擇“如果檢測(cè)到穩(wěn)定狀態(tài)則停止模擬” 。” “steady”參數(shù)出現(xiàn)在“.TRAN”指令中。
3. 運(yùn)行模擬。
4. 從菜單欄中單擊查看 > 效率報(bào)告 > 在示意圖中顯示。該報(bào)告將出現(xiàn)在原理圖中。

從此模擬文件夾下載示例效率報(bào)告模擬文件，并使用LTspice運(yùn)行它。

?

技巧 2. 如何模擬變化的負(fù)載

電源電路通常承受不同的負(fù)載，因此檢查電路的不同負(fù)載條件非常重要。

在 LTspice 中，這是通過(guò)使用“.STEP”指令完成的，該指令將自動(dòng)重新啟動(dòng)模擬，同時(shí)每次更改全局變量的值。如果此變量與負(fù)載電流相關(guān)聯(lián)，則針對(duì)不同的負(fù)載值重復(fù)仿真。

?

圖 3。

?

下面是模擬上述電路中變化負(fù)載的步驟：

1. 將電流源作為負(fù)載 (I1) 并將其值設(shè)置為 {Iload}。當(dāng)前的值是一個(gè)可以改變的全局變量，而不是一個(gè)固定的數(shù)值。
2. 添加“.STEP”指令，如圖3所示。它將使模擬器重復(fù)模擬，同時(shí)每次將可變負(fù)載從0.25更改為1，步長(zhǎng)為0.25。換句話(huà)說(shuō)，模擬將在 0.25A、0.5A、0.75A、1A 的輸出負(fù)載下執(zhí)行。
3. 運(yùn)行模擬。?
4. 將電壓探頭放在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上（即輸出電壓）。繪圖窗格將為每個(gè)模擬步驟顯示具有不同顏色的電壓波形，在這種情況下，這意味著每個(gè)負(fù)載值。

從這個(gè)模擬文件文件夾下載一個(gè)示例變負(fù)載模擬文件，并使用LTspice運(yùn)行它。

?

?

技巧 3. 如何自動(dòng)計(jì)算參數(shù)

在模擬電路時(shí)，您可能需要計(jì)算重要參數(shù)，例如輸入功率或輸出功率。LTspice 可以通過(guò)自動(dòng)執(zhí)行這些計(jì)算為您節(jié)省一些時(shí)間。??

當(dāng)執(zhí)行多個(gè)模擬步驟時(shí)，此功能特別有用，因?yàn)槟M器將自動(dòng)計(jì)算每個(gè)模擬步驟所需的參數(shù)。

?

圖 4。?

?

在上面的模擬中，我們添加了三個(gè)“.MEAS”指令來(lái)自動(dòng)計(jì)算：

• pin : 輸入功率作為輸入電壓和電流的乘積；
• pout : 作為輸出電壓和電流的乘積獲得的輸出功率；
• eff：根據(jù)定義為 pout/pin 比率計(jì)算的效率。

在仿真運(yùn)行結(jié)束時(shí)，按CTRL+L打開(kāi)仿真日志，其中包含計(jì)算出的參數(shù)，如圖 5 所示。?

?

圖 5。?

?

在日志中，LTspice 計(jì)算了每個(gè)模擬步驟的三個(gè)參數(shù)。這種技術(shù)可以為設(shè)計(jì)師節(jié)省大量時(shí)間。?

?

請(qǐng)注意，在步驟 3 中，負(fù)載電流為 1A，計(jì)算值與技巧 1 中生成的效率報(bào)告中已經(jīng)提供的值相同。

從這個(gè)仿真文件夾下載一個(gè)帶有參數(shù)計(jì)算的示例仿真文件，?并使用LTspice運(yùn)行它。

?

?

?

技巧 4. 繪制每次模擬運(yùn)行的計(jì)算參數(shù)?

在自動(dòng)計(jì)算參數(shù)后，繪制它們以檢查它們?nèi)绾坞S著每個(gè)模擬步驟而變化是很有用的。此功能的典型用途是繪制開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器在不同負(fù)載值下的模擬效率。

?

圖 6。?

?

如何使用模擬和提示 4 的結(jié)果生成效率與負(fù)載電流圖。?

• 在存在計(jì)算數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤日志中右鍵單擊。
• 選擇“ Plot .step'ed .meas data ”，將打開(kāi)一個(gè)空白圖。
• 右鍵單擊空白圖并選擇“添加跟蹤”（或使用 CTRL+A）。
• 選擇eff作為參數(shù)，將生成上圖所示的圖。

編輯：fqj