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分享使用 LTspice 進行電源電路設計的技巧

2021年10月28日 14:24 ? 次閱讀

LTspice 是一款功能強大、簡單易用且免費的 SPICE 仿真工具,在業界得到廣泛應用。

列出了用于電源電路設計的 LTspice 的典型用例,并提供了 LTspice 使用的實用技巧。模擬器的這種解釋可以幫助工程師避免大量的手動計算并減少開發時間和成本。

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電源電路設計流程

電源電路設計通常是一項繁瑣的工作,涉及以下步驟:

  1. 寫下關鍵規格(電壓范圍、溫度范圍、最大電流、保護電路、變化的負載條件、最大尺寸等)。
  2. 選擇系統或電路的基礎架構。
  3. 預測系統每個部分所需的參數。
  4. 找到最適合所選架構的組件。
  5. 設計原理圖。
  6. 預測設計電路的工作條件并檢查它們是否滿足關鍵規格。
  7. 建立一個原型。
  8. 測試原型并確認已達到預測參數并滿足關鍵規格。
  9. 如果不滿足關鍵規格,請進行所需的更正(從第四步重新開始)。

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第四到第八步可能特別耗時。有時項目沒有按預期進行,開發時間延長,設計師可能會被迫盡快完成項目。

當測試原型(第 8 步)的結果與第 6 步預測的結果不同時,就會產生這種不良情況。這經常發生,因為無法根據數據表參數計算準確的性能。

這就是現代模擬電路設計(和電源電路設計)廣泛使用仿真工具的原因,這些工具可以根據組件、電源、噪聲源等的互連模型預測系統行為。這些工具可以產生非常接近于用原型觀察到的結果。?

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

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注意:要下載本文提供的仿真文件,讀者必須安裝LTSpice。

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圖1。?

圖1。 LTspice 可以從這里免費下載。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 進行電源電路設計?

從單組件仿真到完整系統仿真,LTspice 的靈活性使其可以用于各種仿真。

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對于電源電路設計,LTspice 可以幫助:

加速設計和驗證:可以在幾秒鐘或幾分鐘內模擬電路,避免大量手動計算,因此可以快速迭代試錯過程,直到達到所需的結果。?

比較組件:更改組件并啟動新模擬是一項簡單的任務,而在真實原型上執行相同操作則需要一些時間。通過模擬選擇正確的組件可以提供很大的好處。

在不冒損壞風險的情況下檢查電路:測試電源電路時可能會發生損壞,維修可能非常耗時。在原型測試之前模擬電路可以在任何損壞之前突出問題。?

易于測量: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,而在實際電路中則不然。

模擬理想條件:理論想法和實際實現之間的不同結果可能會令人困惑。通過 LTSpice 模擬器,可以使用理想元件(即理想二極管、無損耗電感器等)驗證電路并檢查其在理想條件下的工作情況。?

上面的列表可以擴展,因為使用像 LTspice 這樣的模擬工具有很多原因。

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現在我們將討論使用 LTspice 進行電源電路設計的實用技巧。

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提示 1. 如何生成效率報告

使用時域分析(.TRAN 指令),對于單輸入/單輸出電路,它可以自動生成效率報告。該報告以表格的形式出現,其中包含:電路每個組件的輸入功率、輸出功率、效率計算、電流和功率。


在啟動瞬態仿真之后,一旦電路達到穩態條件,就會計算參數。?

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圖 2。

圖 2。

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以下是生成效率報告的步驟:

  1. 繪制包含單個電壓源(假定為輸入)和稱為 Rload 的負載(假定為負載)的原理圖。
  2. 右鍵單擊“.TRAN”指令并選擇“如果檢測到穩定狀態則停止模擬。” “steady”參數出現在“.TRAN”指令中。
  3. 運行模擬。
  4. 從菜單欄中單擊查看 > 效率報告 > 在示意圖中顯示。該報告將出現在原理圖中。

從此模擬文件夾下載示例效率報告模擬文件,并使用LTspice運行它。

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技巧 2. 如何模擬變化的負載

電源電路通常承受不同的負載,因此檢查電路的不同負載條件非常重要。

在 LTspice 中,這是通過使用“.STEP”指令完成的,該指令將自動重新啟動模擬,同時每次更改全局變量的值。如果此變量與負載電流相關聯,則針對不同的負載值重復仿真。

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圖 3。

圖 3。

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下面是模擬上述電路中變化負載的步驟:

  1. 將電流源作為負載 (I1) 并將其值設置為 {Iload}。當前的值是一個可以改變的全局變量,而不是一個固定的數值。
  2. 添加“.STEP”指令,如圖3所示。它將使模擬器重復模擬,同時每次將可變負載從0.25更改為1,步長為0.25。換句話說,模擬將在 0.25A、0.5A、0.75A、1A 的輸出負載下執行。
  3. 運行模擬。?
  4. 將電壓探頭放在一個節點上(即輸出電壓)。繪圖窗格將為每個模擬步驟顯示具有不同顏色的電壓波形,在這種情況下,這意味著每個負載值。

從這個模擬文件文件夾下載一個示例變負載模擬文件,并使用LTspice運行它。

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技巧 3. 如何自動計算參數

在模擬電路時,您可能需要計算重要參數,例如輸入功率或輸出功率。LTspice 可以通過自動執行這些計算為您節省一些時間。??

當執行多個模擬步驟時,此功能特別有用,因為模擬器將自動計算每個模擬步驟所需的參數。

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圖 4。?

圖 4。?

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在上面的模擬中,我們添加了三個“.MEAS”指令來自動計算:

  • 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:根據定義為 pout/pin 比率計算的效率。

在仿真運行結束時,按CTRL+L打開仿真日志,其中包含計算出的參數,如圖 5 所示。?

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圖 5。?

圖 5。?

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在日志中,LTspice 計算了每個模擬步驟的三個參數。這種技術可以為設計師節省大量時間。?

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請注意,在步驟 3 中,負載電流為 1A,計算值與技巧 1 中生成的效率報告中已經提供的值相同。

從這個仿真文件夾下載一個帶有參數計算的示例仿真文件,?并使用LTspice運行它。

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技巧 4. 繪制每次模擬運行的計算參數?

在自動計算參數后,繪制它們以檢查它們如何隨著每個模擬步驟而變化是很有用的。此功能的典型用途是繪制開關轉換器在不同負載值下的模擬效率。

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圖 6。?

圖 6。?

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如何使用模擬和提示 4 的結果生成效率與負載電流圖。?

  • 在存在計算數據的錯誤日志中右鍵單擊。
  • 選擇“ Plot .step'ed .meas data ”,將打開一個空白圖。
  • 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,將生成上圖所示的圖。

編輯:fqj

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