如何使用LTspice為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)器生成波特圖

作者：Keith Szolusha and Brandon Nghe

閉環(huán)增益和相位圖是用于確定穩(wěn)定性的常用工具 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中的控制回路。增益和相位測(cè)量，當(dāng) 如果做得好，需要訪問(wèn)并熟悉花哨的網(wǎng)絡(luò)分析儀。這 測(cè)量包括斷開(kāi)控制環(huán)路、注入噪聲和測(cè)量 頻率掃描過(guò)程中產(chǎn)生的增益和相位（見(jiàn)圖1）。這種做法 測(cè)量控制環(huán)路很少應(yīng)用于LED驅(qū)動(dòng)器。

LED驅(qū)動(dòng)器控制環(huán)路相位和增益測(cè)量需要不同的方法 （參見(jiàn)圖1）—與典型電阻分壓器路徑至GND電壓的偏差 調(diào)節(jié)器注入和測(cè)量點(diǎn)。在這兩種情況下，臺(tái)式控制回路 相位和增益測(cè)量是保證穩(wěn)定性的最佳方法，但不是 每個(gè)工程師都觸手可及所需的設(shè)備并訪問(wèn) 經(jīng)驗(yàn)豐富的工廠應(yīng)用程序團(tuán)隊(duì)。這些工程師是做什么的？

一種選擇是構(gòu)建LED驅(qū)動(dòng)器，看看它如何響應(yīng)瞬變。短暫的 響應(yīng)觀察需要應(yīng)用板和更常見(jiàn)的臺(tái)式 設(shè)備。瞬態(tài)分析的結(jié)果缺乏波特圖基于頻率的 增益和相數(shù)（可用于保證穩(wěn)定性）但它們可以 作為一般控制回路穩(wěn)定性和速度的指示。

大信號(hào)瞬變可用于檢查絕對(duì)偏差和系統(tǒng) 響應(yīng)時(shí)間。瞬態(tài)擾動(dòng)的形狀表示相位 或增益裕量，因此可用于了解一般環(huán)路穩(wěn)定性。為 例如，臨界阻尼響應(yīng)可能表示相位裕量為 45° 至 60°。 或者，瞬態(tài)期間的大尖峰可能表明需要更多的 COUT 或 af aster 環(huán)路。較長(zhǎng)的建立時(shí)間可能表明需要加快帶寬 （和交越頻率）的環(huán)路。這些相對(duì)容易的系統(tǒng)檢查 實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器控制環(huán)路的動(dòng)態(tài)檢定，但 更深入的分析需要增益和相位波特圖。

LTspice仿真可用于生成兩個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器輸出 組裝或制造電路之前的瞬態(tài)和波特圖。這可以 幫助大致了解控制環(huán)路穩(wěn)定性 - 補(bǔ)償元件選擇和輸出電容尺寸的起點(diǎn)。使用LTspice的過(guò)程 基于米德?tīng)柌剪斂嗽?1975 年的原始建議是有據(jù)可查的（見(jiàn) “LTspice：生成SMPS波特圖的基本步驟”）。?1Middlebrook方法中列出的實(shí)際信號(hào)注入位置現(xiàn)在并不常用。 但經(jīng)過(guò)多年的調(diào)整，導(dǎo)致常用注射 位置如圖1a所示。

此外，LED驅(qū)動(dòng)器，具有高邊檢測(cè)電阻和復(fù)雜的交流電 電阻LED負(fù)載，應(yīng)該具有與今天不同的注入點(diǎn) 反饋路徑中的注入點(diǎn)或米德?tīng)柌剪斂说脑冀ㄗh， 一個(gè)以前在LTspice中沒(méi)有證明過(guò)。這里介紹的方法顯示 如何生成LED驅(qū)動(dòng)器電流檢測(cè)反饋環(huán)路 LTspice中的波特圖， 在實(shí)驗(yàn)室里。

生成控制環(huán)路波特圖

標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器控制環(huán)路波特圖產(chǎn)生三個(gè)關(guān)鍵測(cè)量值，可用于確定穩(wěn)定性和速度：

相位裕量

交越頻率（帶寬）

獲得保證金

人們普遍認(rèn)為，需要 45° 至 60° 的相位裕量才能穩(wěn)定 系統(tǒng)，并且需要–10 dB增益裕量才能保證環(huán)路穩(wěn)定性。交越頻率與一般環(huán)路速度有關(guān)。圖 1 顯示了設(shè)置 用于使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行這些測(cè)量。

圖1.使用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì) （a） 穩(wěn)壓器和 （b） LED 驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器控制環(huán)路波特圖測(cè)量。為了進(jìn)行測(cè)量，控制環(huán)路斷開(kāi)，正弦擾動(dòng)推入高阻抗路徑，同時(shí)測(cè)量由此產(chǎn)生的控制環(huán)路增益和相位，使設(shè)計(jì)人員能夠量化環(huán)路的穩(wěn)定性。

LTspice仿真可用于在 LED 的控制回路。圖 2 示出了具有理想 給定頻率（F）的正弦波直接注入反饋路徑 負(fù)檢測(cè)線 （ISN）。測(cè)量點(diǎn) A、B 和 C 用于計(jì)算 注入頻率（f）處的增益（dB）和相位（°）。為了繪制圖表 在整個(gè)控制環(huán)路波特圖中，必須在 大頻率掃描，停在fSW/2（開(kāi)關(guān)頻率的一半 轉(zhuǎn)換器）。

圖2.LT3950 DC2788A 演示電路 LED 驅(qū)動(dòng)器 LTspice 型號(hào)，具有控制環(huán)路噪聲注入和測(cè)量點(diǎn)。

圖2中A、B和C點(diǎn)的測(cè)量決定了增益和相位 注射頻率（f）的控制回路。不同的注射頻率 產(chǎn)生不同的增益和相位。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，并了解其工作原理，可以 設(shè)置注入頻率并測(cè)量A-C和B-C的增益和相位。這 產(chǎn)生控制環(huán)路波特圖的單個(gè)頻率點(diǎn)。圖 3a 和 3b 顯示10 kHz±10 mV AC注入的增益和相位。圖 3c 和 3d 顯示 增益和相位為 40 kHz±10 mV 交流注入。

頻率掃描以及增益和相位測(cè)量 B-C 和 A-C 構(gòu)成了整個(gè)閉環(huán)波特圖。如中所述 摘要，這通常是在工作臺(tái)上使用花式（即， 昂貴）網(wǎng)絡(luò)分析儀。在LTspice中也可以進(jìn)行這樣的掃描，如圖所示。 在圖 4 中。這些結(jié)果通過(guò)與 使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行臺(tái)式測(cè)試（見(jiàn)圖8）。

圖3.圖2中A、B和C點(diǎn)的測(cè)量決定了注入頻率（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(cè)量構(gòu)成了閉環(huán)波特圖。

圖4.LT3950 在 LTspice 中進(jìn)行的波特圖測(cè)量顯示增益 （實(shí)線） 和相位 （虛線）。

在LTspice中進(jìn)行全增益和相位掃描以及繪圖

要在LTspice中為控制環(huán)路創(chuàng)建完整的波特圖，即增益和相位的圖形掃描，請(qǐng)執(zhí)行以下步驟。

步驟 1：創(chuàng)建 AC 注入源

在LTspice中，插入±10 mV AC注入電壓源和注入電阻以及標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)A、B和C，如圖2所示。交流電壓源值SINE（0 10m {Freq}）設(shè)置10 mV峰值并掃描頻率。用戶可以在1 mV至20 mV之間使用峰值正弦值。請(qǐng)記住，許多LED驅(qū)動(dòng)器的檢測(cè)電壓為250 mV和100 mV。較高的注入噪聲會(huì)產(chǎn)生LED電流調(diào)節(jié)誤差。

第 2 步：添加數(shù)學(xué)運(yùn)算

在原理圖上插入 .measure 語(yǔ)句作為 .sp （SPICE） 指令。這些指令執(zhí)行傅里葉變換，并以dB和相位計(jì)算LED驅(qū)動(dòng)器的復(fù)雜開(kāi)環(huán)增益和相位。

以下是指令：

.measure Aavg avg 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(shè)置測(cè)量參數(shù)

還需要一些小指令。首先，電路必須處于穩(wěn)定狀態(tài) 的模擬（過(guò)去啟動(dòng)），以便進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏y(cè)量。調(diào)整 t0，或測(cè)量的開(kāi)始時(shí)間和停止時(shí)間。開(kāi)始時(shí)間可以是 通過(guò)啟動(dòng)模擬和觀察啟動(dòng)來(lái)估計(jì)或獲得 時(shí)間。在穩(wěn)定狀態(tài)為 已達(dá)到 — 通過(guò)對(duì)每個(gè)頻率平均超過(guò) 10 個(gè)周期來(lái)減少誤差。

以下是指令：

.param t0=0.2m

.tran 0 {t0+10/freq} {t0} startup

.step oct param freq 1K 1M 3

步驟 4：設(shè)置頻率采樣步長(zhǎng)和范圍

.step 命令設(shè)置執(zhí)行分析的頻率分辨率和范圍。在本例中，仿真運(yùn)行范圍為 1 kHz 至 1 MHz，使用 每倍頻程三分的分辨率。波特圖測(cè)量值準(zhǔn)確 最高為fSW/2，因此頻率上限應(yīng)設(shè)置為開(kāi)關(guān)的一半 系統(tǒng)的頻率。顯然，更多的點(diǎn)可以提高分辨率，但是 模擬需要更長(zhǎng)的時(shí)間。每倍頻程三分是分辨率的低端，但 以最低分辨率運(yùn)行仿真可以節(jié)省一些時(shí)間。不過(guò) 從整體設(shè)計(jì)周期來(lái)看，5 分鐘的模擬是 比設(shè)計(jì)、組裝和測(cè)試 PCB 快得多。有了這個(gè) 請(qǐng)注意，您可能只想以更高的分辨率運(yùn)行，例如五個(gè)或更多點(diǎn) 每個(gè)八度，以產(chǎn)生更完整、更易于查看的結(jié)果。

步驟 5：運(yùn)行模擬

這看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但LTspice需要多個(gè)生產(chǎn)步驟來(lái) 生成波特圖。第一步是運(yùn)行模擬，這不會(huì)產(chǎn)生 （尚未）圖，而是顯示正常的示波器電壓和電流測(cè)量值。 按照后續(xù)步驟生成波特圖。

步驟 6：生成波特圖

打開(kāi) SPICE 錯(cuò)誤日志，方法是右鍵單擊原理圖窗口并選擇繪制 .step'ed .meas 數(shù)據(jù)。從“打印設(shè)置”菜單中選擇“可見(jiàn)跡線”，然后選擇“增益”以繪制數(shù)據(jù)?？蛇x地，可以導(dǎo)出測(cè)量數(shù)據(jù) 通過(guò)單擊文件并選擇將數(shù)據(jù)導(dǎo)出為文本以生成 CSV 文件 波特?cái)?shù)據(jù)。

使用網(wǎng)絡(luò)分析儀確認(rèn)波特圖 — 超越仿真

控制回路的模擬不如真實(shí)的東西可靠，不應(yīng)該 用于完全保證循環(huán)穩(wěn)定性和裕量。在某個(gè)階段 設(shè)計(jì)過(guò)程中，控制回路應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室中使用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行驗(yàn)證 分析器工具。

LTspice中生成的波特圖可以與網(wǎng)絡(luò)分析儀波特進(jìn)行比較 繪制測(cè)量結(jié)果。就像仿真一樣，通過(guò)將噪聲注入反饋回路并測(cè)量和 處理 A-B 和 A-C 增益和相位。測(cè)量設(shè)置示意圖 和照片如圖 5 到圖 7 所示。

圖5.使用網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置LED驅(qū)動(dòng)器控制回路波特圖測(cè)量。

圖6.Venable 系統(tǒng) 5060A 型老式網(wǎng)絡(luò)分析儀，用于 LED 驅(qū)動(dòng)器的高邊浮動(dòng)噪聲注入和測(cè)量。

圖7.LT3950 LED 驅(qū)動(dòng)器上的噪聲注入和測(cè)量點(diǎn)。

圖8.DC2788A 演示電路上 LT3950 LED 驅(qū)動(dòng)器的波特圖。通過(guò)LTspice仿真生成的圖（藍(lán)線）與使用網(wǎng)絡(luò)分析儀生成的圖（綠線）具有很強(qiáng)的相關(guān)性。

LTspice仿真結(jié)果表明與網(wǎng)絡(luò)分析儀數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的相關(guān)性， 證明LTspice是LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中的有用工具——產(chǎn)生粗糙的 基線，以幫助工程師縮小組件選擇范圍。這 較低頻率下的增益和相位緊隨硬件，較高頻率下的仿真和硬件數(shù)據(jù)之間的差異更大。這可能會(huì) 代表高頻極點(diǎn)、零點(diǎn)、寄生建模的挑戰(zhàn) 電感、電容和等效串聯(lián)電阻。

結(jié)論

LTspice建模可用于測(cè)量控制環(huán)路增益和相位，因此 為 LED 驅(qū)動(dòng)器生成波特圖。LTspice仿真的精度 數(shù)據(jù)取決于所使用的SPICE模型的準(zhǔn)確性，盡管要小心 對(duì)每個(gè)組件進(jìn)行建模以解釋實(shí)際行為是有代價(jià)的 增加的模擬時(shí)間。出于LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的目的，LTspice數(shù)據(jù) 對(duì)于相對(duì)快速地縮小組件范圍和預(yù)測(cè)很有用 即使沒(méi)有完美的組件建模，也能實(shí)現(xiàn)一般電路行為。一個(gè)工作 仿真有助于在過(guò)渡到硬件之前指導(dǎo)設(shè)計(jì)工程師 實(shí)施，節(jié)省整體設(shè)計(jì)時(shí)間。一次粗略的組件選擇 已經(jīng)完成，使用帶有網(wǎng)絡(luò)分析儀的內(nèi)置板進(jìn)行測(cè)量可以 確認(rèn)或?qū)Ρ确抡娼Y(jié)果，作為硬件驗(yàn)證的一種手段 在開(kāi)發(fā)過(guò)程中。

審核編輯：郭婷