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使用 LTspice 進(jìn)行電源電路設(shè)計(jì)的技巧

發(fā)布時(shí)間:2021-11-25 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】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)算并減少開發(fā)時(shí)間和成本。


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)并滿足關(guān)鍵規(guī)格。

9. 如果不滿足關(guān)鍵規(guī)格,請(qǐng)進(jìn)行所需的更正(從第四步重新開始)。

 

第四到第八步可能特別耗時(shí)。有時(shí)項(xiàng)目沒有按預(yù)期進(jìn)行,開發(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。


使用 LTspice 進(jìn)行電源電路設(shè)計(jì)的技巧

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 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(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)。 


使用 LTspice 進(jìn)行電源電路設(shè)計(jì)的技巧 

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。


使用 LTspice 進(jìn)行電源電路設(shè)計(jì)的技巧

圖 3。


下面是模擬上述電路中變化負(fù)載的步驟:


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。


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。換句話說,模擬將在 0.25A、0.5A、0.75A、1A 的輸出負(fù)載下執(zhí)行。


運(yùn)行模擬。 


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)。


使用 LTspice 進(jìn)行電源電路設(shè)計(jì)的技巧

圖 4。 


在上面的模擬中,我們添加了三個(gè)“.MEAS”指令來自動(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打開仿真日志,其中包含計(jì)算出的參數(shù),如圖 5 所示。 


使用 LTspice 進(jìn)行電源電路設(shè)計(jì)的技巧

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關(guān)轉(zhuǎn)換器在不同負(fù)載值下的模擬效率。


使用 LTspice 進(jìn)行電源電路設(shè)計(jì)的技巧

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。


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