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分享使用 LTspice 进行电源电路设计的技巧

2021-12-15 11:16:34

 LTspice 是一款功能强大、简单易用且免费的 SPICE 仿真工具,在业界得到广泛应用。

列出了用于电源电路设计的 LTspice 的典型用例,并提供了 LTspice 使用的实用技巧。模拟器的这种解释可以帮助工程师避免大量的手动计算并减少开发时间和成本。

电源电路设计流程

电源电路设计通常是一项繁琐的工作,涉及以下步骤:

  1. 写下关键规格(电压范围、温度范围、最大电流、保护电路、变化的负载条件、最大尺寸等)。
  2. 选择系统或电路的基础架构。
  3. 预测系统每个部分所需的参数。
  4. 找到最适合所选架构的组件。
  5. 设计原理图。
  6. 预测设计电路的工作条件并检查它们是否满足关键规格。
  7. 建立一个原型。
  8. 测试原型并确认已达到预测参数并满足关键规格。
  9. 如果不满足关键规格,请进行所需的更正(从第四步重新开始)。

 

第四到第八步可能特别耗时。有时项目没有按预期进行,开发时间延长,设计师可能会被迫尽快完成项目。

当测试原型(第 8 步)的结果与第 6 步预测的结果不同时,就会产生这种不良情况。这经常发生,因为无法根据数据表参数计算准确的性能。

这就是现代模拟电路设计(和电源电路设计)广泛使用仿真工具的原因,这些工具可以根据组件、电源、噪声源等的互连模型预测系统行为。这些工具可以产生非常接近于用原型观察到的结果。 

LTspice是功能强大且广泛使用的SPICE 仿真应用程序。它由 Analog Devices(最初由 Linear Technology)免费提供。

 

注意:要下载本文提供的仿真文件,读者必须安装LTSpice。

 

图1。 

图1。 LTspice 可以从这里免费下载。示例仿真文件可以从本文后面和本文末尾提供的仿真技巧中下载。


为什么要使用 LTspice 进行电源电路设计?

从单组件仿真到完整系统仿真,LTspice 的灵活性使其可以用于各种仿真。

 

对于电源电路设计,LTspice 可以帮助:

加速设计和验证:可以在几秒钟或几分钟内模拟电路,避免大量手动计算,因此可以快速迭代试错过程,直到达到所需的结果。 

比较组件:更改组件并启动新模拟是一项简单的任务,而在真实原型上执行相同操作则需要一些时间。通过模拟选择正确的组件可以提供很大的好处。

在不冒损坏风险的情况下检查电路:测试电源电路时可能会发生损坏,维修可能非常耗时。在原型测试之前模拟电路可以在任何损坏之前突出问题。 

易于测量:将电压或电流探头放入电路仿真中并查看波形非常容易且即时,而在实际电路中则不然。

模拟理想条件:理论想法和实际实现之间的不同结果可能会令人困惑。通过 LTSpice 模拟器,可以使用理想元件(即理想二极管、无损耗电感器等)验证电路并检查其在理想条件下的工作情况。 

上面的列表可以扩展,因为使用像 LTspice 这样的模拟工具有很多原因。

 

现在我们将讨论使用 LTspice 进行电源电路设计的实用技巧。

 

提示 1. 如何生成效率报告

使用时域分析(.TRAN 指令),对于单输入/单输出电路,它可以自动生成效率报告。该报告以表格的形式出现,其中包含:电路每个组件的输入功率、输出功率、效率计算、电流和功率。


在启动瞬态仿真之后,一旦电路达到稳态条件,就会计算参数。 

 

图 2。

图 2。

 

以下是生成效率报告的步骤:

  1. 绘制包含单个电压源(假定为输入)和称为 Rload 的负载(假定为负载)的原理图。
  2. 右键单击“.TRAN”指令并选择“如果检测到稳定状态则停止模拟” 。” “steady”参数出现在“.TRAN”指令中。
  3. 运行模拟。
  4. 从菜单栏中单击查看 > 效率报告 > 在示意图中显示。该报告将出现在原理图中。

从此模拟文件夹下载示例效率报告模拟文件,并使用LTspice运行它。

 

技巧 2. 如何模拟变化的负载

电源电路通常承受不同的负载,因此检查电路的不同负载条件非常重要。

在 LTspice 中,这是通过使用“.STEP”指令完成的,该指令将自动重新启动模拟,同时每次更改全局变量的值。如果此变量与负载电流相关联,则针对不同的负载值重复仿真。

 

图 3。

图 3。

 

下面是模拟上述电路中变化负载的步骤:

  1. 将电流源作为负载 (I1) 并将其值设置为 {Iload}。当前的值是一个可以改变的全局变量,而不是一个固定的数值。
  2. 添加“.STEP”指令,如图3所示。它将使模拟器重复模拟,同时每次将可变负载从0.25更改为1,步长为0.25。换句话说,模拟将在 0.25A、0.5A、0.75A、1A 的输出负载下执行。
  3. 运行模拟。 
  4. 将电压探头放在一个节点上(即输出电压)。绘图窗格将为每个模拟步骤显示具有不同颜色的电压波形,在这种情况下,这意味着每个负载值。

从这个模拟文件文件夹下载一个示例变负载模拟文件,并使用LTspice运行它。

 

 

技巧 3. 如何自动计算参数

在模拟电路时,您可能需要计算重要参数,例如输入功率或输出功率。LTspice 可以通过自动执行这些计算为您节省一些时间。  

当执行多个模拟步骤时,此功能特别有用,因为模拟器将自动计算每个模拟步骤所需的参数。

 

图 4。 

图 4。 

 

在上面的模拟中,我们添加了三个“.MEAS”指令来自动计算:

  • pin : 输入功率作为输入电压和电流的乘积;
  • pout : 作为输出电压和电流的乘积获得的输出功率;
  • eff:根据定义为 pout/pin 比率计算的效率。

在仿真运行结束时,按CTRL+L打开仿真日志,其中包含计算出的参数,如图 5 所示。 

 

图 5。 

图 5。 

 

在日志中,LTspice 计算了每个模拟步骤的三个参数。这种技术可以为设计师节省大量时间。 

 

请注意,在步骤 3 中,负载电流为 1A,计算值与技巧 1 中生成的效率报告中已经提供的值相同。

从这个仿真文件夹下载一个带有参数计算的示例仿真文件, 并使用LTspice运行它。

 

 

 

技巧 4. 绘制每次模拟运行的计算参数 

在自动计算参数后,绘制它们以检查它们如何随着每个模拟步骤而变化是很有用的。此功能的典型用途是绘制开关转换器在不同负载值下的模拟效率。

 

图 6。 

图 6。 

 

如何使用模拟和提示 4 的结果生成效率与负载电流图。 

  • 在存在计算数据的错误日志中右键单击。
  • 选择“ Plot .step'ed .meas data ”,将打开一个空白图。
  • 右键单击空白图并选择“添加跟踪”(或使用 CTRL+A)。
  • 选择eff作为参数,将生成上图所示的图。 
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