如何使用LTspice理解外設(shè)應(yīng)力及VSW和占空比之間的聯(lián)系

在本系列文章的第1部分中，我們探討了為什么開(kāi)關(guān)電流很重要，滿(mǎn)足預(yù)期負(fù)載所需的輸出電流，以及選擇降壓和升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器之間的差異。

在第2部分中，我們將介紹VSW、晶體管最大允許電壓和占空比限制、如何使用LTspice理解外設(shè)應(yīng)力，以及VSW和占空比之間的聯(lián)系。

通常，IC的VIN范圍在數(shù)據(jù)手冊(cè)中指定，包括推薦范圍和絕對(duì)最大值。帶有內(nèi)部電源開(kāi)關(guān)的升壓穩(wěn)壓器可能產(chǎn)生的最高輸出電壓在數(shù)據(jù)手冊(cè)中表示為其最大VSW額定值。如果使用帶有外部 MOSFET 的升壓控制器作為電源開(kāi)關(guān)，則 MOSFET 的數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的 VDS 額定值是限制最大輸出電壓的因素。

例如，LT8330升壓穩(wěn)壓器的輸入電壓范圍為3 V至40 V，絕對(duì)最大開(kāi)關(guān)電壓為60 V，固定開(kāi)關(guān)頻率為2 MHz。雖然絕對(duì)最大60 V開(kāi)關(guān)電壓額定值使器件能夠產(chǎn)生升壓輸出至60 V，但最佳做法是保持低于此電壓至少2 V。

輸出電壓也受占空比的限制。最大和最小占空比可能在數(shù)據(jù)手冊(cè)中，也可以計(jì)算。使用LT8330將12 V轉(zhuǎn)換為48 V，對(duì)于CCM，省略二極管壓降以獲得高轉(zhuǎn)換比，占空比根據(jù)輸入和輸出電壓計(jì)算：

D = （VO – VIN）/VO = （48 V – 12 V）/48 V = 0.75 或 75%

檢查IC是否能夠在所需的占空比下工作。

IC最小占空比由下式給出：

DMIN = 最小噸（最大） × fSW（最大值）

IC最大占空比由下式給出：

最大尺寸 = 1 – （最小托夫（最大） × fSW（最大））

最小TON和最小TOF可在數(shù)據(jù)手冊(cè)的電氣特性表中找到。使用表的最小值、典型值和最大值列中的最大值。使用 LT8330 的公布值以及 DMIN 和 DMAX 方程，得出 DMIN = 0.225 和 DMAX = 0.86。從結(jié)果中，我們可以看到LT8330應(yīng)該能夠?qū)?2 V轉(zhuǎn)換為48 V，因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求占空比為0.75。

了解使用LTspice的外設(shè)應(yīng)力

圖12所示原理圖實(shí)現(xiàn)了之前介紹的設(shè)計(jì)理念，LT8330采用12 V輸入至48 V輸出轉(zhuǎn)換器，支持150 mA負(fù)載。

圖 12.LT8330用于12 V至48 V轉(zhuǎn)換器，負(fù)載電流為150 mA。

通過(guò)LTspice仿真，我們可以繪制和測(cè)量許多參數(shù)。圖13描述了那些可以幫助您選擇IC的方法。

VSW 和占空比

運(yùn)行仿真后，您可以將 SW 節(jié)點(diǎn)行為視為波形，以了解開(kāi)關(guān)在開(kāi)關(guān)周期內(nèi)存在的電壓。為此，請(qǐng)將鼠標(biāo)懸停在 SW 節(jié)點(diǎn)上，使十字光標(biāo)變?yōu)榧t色電壓探頭。單擊以在波形查看器上繪制開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)行為。得到的曲線對(duì)應(yīng)于內(nèi)部功率MOSFET的漏極。

正如預(yù)期的那樣，當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，電壓電位接近地電位，但更重要的是，在TOFF期間，MOSFET關(guān)斷，漏極電壓受輸出電壓加二極管壓降的影響?，F(xiàn)在我們知道MOSFET的VDS上的應(yīng)力是多少。如果我們選擇使用外部MOSFET作為電源開(kāi)關(guān)的控制器設(shè)計(jì)，我們應(yīng)該選擇VDS額定值為60 V的MOSFET。

在LTspice波形查看器中，可以使用光標(biāo)進(jìn)行水平和垂直測(cè)量，類(lèi)似于示波器上的光標(biāo)。要調(diào)用光標(biāo)，請(qǐng)單擊LTspice波形查看器中的V（sw）標(biāo)簽。這會(huì)將第一個(gè)游標(biāo)附加到跟蹤，再單擊一次將第二個(gè)游標(biāo)附加到同一跡線?；蛘?，右鍵單擊標(biāo)簽并選擇所需的光標(biāo)以顯示給定的探測(cè)跡線。使用這些光標(biāo)，您可以測(cè)量TON并計(jì)算占空比，以噸/周期給出。

TPERIOD = TON + TOFF = 1/fSW。早些時(shí)候，我們計(jì)算出這是75%或0.75。使用LTspice，我們得到大約373 ns。LT8330使用2 MHz的固定開(kāi)關(guān)頻率，因此TP = 1/2e6 = 500 ns，因此占空比為373 ns/500 ns = 0.746。

圖 13.LTspice中圖形查看器上的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)圖。

圖 14.測(cè)量TON以驗(yàn)證估計(jì)的占空比。

在第3部分中，我們將詳細(xì)介紹通過(guò)電感的峰值電流和電壓，通過(guò)二極管的電流和電壓以及二極管的功耗。

審核編輯：郭婷