​如何使用LTspice生成LED驱动器的波德图

最新更新时间:2022-01-12来源: EEWORLD作者: ADI 公司 应用总监 Keith Szolusha 和 应用工程师 Brandon Nghe关键字:LTspice  LED  驱动器  波德图 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章

摘要


适当的控制环路相位和增益测量应由拥有(昂贵的)设备和相应经验的工厂专家进行。如果缺少其中一个或两个都没有,则还有另一种选择。


简介


闭环增益和相位图是用于确定开关调节器控制环路稳定性的常用工具。正确完成增益和相位测量需熟悉高级网络分析仪。测量包括断开控制环路、注入噪声,以及测量一定频率范围内的增益和相位(见图1)。这种测量控制环路的做法很少应用于LED驱动器。


LED驱动器控制环路相位和增益测量需要采用一种不同的方法(见图1)——从典型的电阻分压路径到GND电压调节器注入和测量点的偏差。在这两种情况下,台式控制环路相位和增益测量是保证稳定性的最佳方法,但并非每个工程师都有所需的设备和经验丰富的工厂应用程序团队加持。工程师们该怎么办呢?


一种选择是构建LED驱动器,查看它瞬态的响应。瞬态响应观察需要应用板和更常见的台式设备。瞬态分析的结果缺乏波德图基于频率的增益和相位数据——可用于保证稳定性,也可作为一般控制环路稳定性和速度的指示器。


大信号瞬态可用于检查绝对偏差和系统响应时间。瞬态扰动的形状表示相位或增益裕量,因此可用于了解一般环路稳定性。例如,临界阻尼响应可能表示45°至60°的相位裕度。或者,瞬态期间的大尖峰可能表示需要更多的COUT或更快的环路。较长的建立时间可能表示需要加快环路的带宽(和交越频率)。这些相对简单的系统检查能够在运行中描绘开关调节器的控制环路,但增益和相位波德图需要进行更深入的分析。


LTspice®仿真可用在组装或生产电路之前生成开关调节器输出的瞬变波形和波德图。这有助于大致了解控制环路的稳定性,以便开始选择补偿元件和确定输出电容大小。LTspice的使用过程基于1975年Middlebrook的最初建议(请参阅“LTspice:生成SMPS波德图的基本步骤”)。目前,Middlebrook的方法中列出的实际信号注入位置并不常用,但经过多年的调整,得出了如图1a所示的常用注入位置。


此外,带有高边检测电阻和复杂交流电阻LED负载的LED驱动器,在反馈路径中应有一个不同于目前的注入点或Middlebrook最初建议的注入点,LTspice此前未予说明。这里介绍的方法是展示如何在LTspice和实验室中生成LED驱动器电流测量反馈环路波德图。


产生控制环路波德图


标准开关调节器控制环路波德图产生三个关键测量值,用于确定稳定性和速度:

u 相位裕量

u 交越频率(带宽)

u 增益裕量


一般认为,稳定的系统需要45°至60°的相位裕度,而为保证环路稳定性则需要–10 dB的增益裕量。交越频率与一般环路速度有关。图1显示了使用网络分析仪进行这些测量的设置。


LTspice模拟可用在LED的控制环路中创建类似的注入和测量。图2显示了一个LED驱动器(LT3950),给定频率(f)的理想正弦波直接注入到负感测线(ISN)的反馈路径中。测量点A、B和C用于计算注入频率(f)下的增益(dB)和相位(°)。为了绘制整个控制环路的波德图,必须在大频率扫描范围内重复该测量,并在fSW/2(转换器开关频率的一半)处停止。

 

image.png

图1.开关调节器控制环路波德图测量,带有网络分析仪,用于(a)电压调节器和(b)LED驱动器。


为了进行测量,控制环路断开,正弦波扰动进入高阻抗路径,同时测量由此产生的控制环路增益和相位,


使设计人员能够量化环路的稳定性。

 

image.png

图2.LT3950 DC2788A演示电路LED驱动器LTspice模型,带控制环路噪声注入和测量点


图2中点A、点B和点C的测量值决定了注入频率(f)下控制环路的增益和相位。不同的注入频率产生不同的增益和相位。总之,为了解它的工作原理,可以设置注入频率,并测量A-C和B-C的增益和相位。这会产生控制环路波德图的单个频率点。图3a和3b显示了10 kHz±10 mV AC注入的增益和相位。图3c和3d显示了40 kHz±10 mV AC注入的增益和相位。


频率扫描以及B-C和A-C之间的增益和相位测量生成整个闭环波德图。如摘要中所述,这通常是在工作台上使用一台昂贵的网络分析仪来完成的。在LTspice中也可进行这种扫描,如图4所示。通过与使用网络分析仪的台式测试结果进行比较,证实这些结果(见图8)。

 

image.png

图3.图2中点A、点B和点C的测量值决定了注入频率(f)下控制环路的增益和相位。不同的注入频率产生不同的增益和相位。图3a和3b显示了10 kHz±10 mV AC注入的增益和相位。图3c和3d显示了40 kHz±10 mV AC注入的增益和相位。频率扫描以及B-C和A-C之间的增益和相位测量生成闭环波德图。


 image.png

图4.用LTspice中的LT3950进行波德图测量,显示增益(实线)和相位(虚线)


在LTspice中创建全部增益和相位扫描和波德图


要在LTspice中为控制环路创建全部波德图、增益和相位的图形扫描,请按照下列步骤操作。


第1步:创建交流电注入源


在LTspice中,插入±10 mV AC注入电压源和注入电阻,并标记节点A,B和C,如图2所示。交流电压源值SINE(0 10m {Freq})设置10 mV峰值并扫描频率。用户可以使用1 mV至20 mV的正弦峰值来进行计算。注意:许多LED驱动器的感应电压分别为250 mV和100 mV。较高的注入噪声会产生LED电流调节误差。


第2步:添加Math


在原理图上将测量描述作为.sp(SPICE)指令插入。这些指令执行傅里叶变换公式,并以dB和相位计算LED驱动器的复数开环增益和相位。


各指令如下:

u .measure Aavg avg V(a)-V(c)

u .measure Bavg avg V(b)-V(c)

u .measure Are avg (V(a)-V(c)-Aavg)*cos(360*time*Freq)

u .measure Aim avg -(V(a)-V(c)-Aavg)*sin(360*time*Freq)

u .measure Bre avg (V(b)-V(c)-Bavg)*cos(360*time*Freq)

u .measure Bim avg -(V(b)-V(c)-Bavg)*sin(360*time*Freq)

u .measure GainMag param 20*log10(hypot(Are,Aim) / hypot(Bre,Bim))

u .measure GainPhi param mod(atan2(Aim, Are) - atan2(Bim, Bre)+180,360)-180


第3步:设置测量参数


还需要一些小的指令。首先,为进行正确的测量,电路必须处于模拟的稳定状态(启动后)。调整t0,或测量的开始时间和停止时间。通过模拟和观察启动时间来估算或得出开始时间。达到稳定状态后,停止时间定为10/freq,即10个周期,通过对每个频率的10个周期求平均值来减少误差。


各指令如下:


u .param t0=0.2m

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

u .step oct param freq 1K 1M 3


第4步:设置频率采样步长和范围


.step命令设置执行分析的频率分辨率和范围。本例中,使用每倍频程3点的分辨率,模拟1 kHz到1 MHz。波德图测量可以精准到fSW/2,频率上限设置为系统开关频率的一半。显然,点越多,分辨率越高,仿真时间越长。每倍频程3点是最低的分辨率,但以最小分辨率运行仿真可节省一些时间。从总体设计周期看,5分钟的仿真比设计、组装和测试印刷电路板快几个数量级。基于这点,以更高的分辨率运行,例如每倍频程5点或以上,生成更完整且更容易查看的结果。


第5步:运行仿真


这会比较直观,但LTspice需要多个步骤制作波德图。第一步是运行仿真,暂不生成图,只显示正常范围的电压和电流测量值。按照以下步骤生成波德图。

第6步:制作波德图


右键单击原理图窗口,打开“SPICE错误日志” ,选择Plot .step’ed .meas data。从“画图设置目录”中选择“可见曲线”,然后选择“增益”来绘制数据。或者,可通过单击文件,然后选择将数据导出为文本,产生波德数据的CSV文件,导出测量数据,


在仿真之后,使用网络分析仪进行波德图确认。


控制环路的仿真不像真实的那样可靠,它不能完全保证环路的稳定性和裕度。在设计过程的某个阶段,应在实验室使用网络分析仪工具验证控制环路。


LTspice中生成的波德图可以与网络分析仪的波德图测量结果比较。类似放真,通过将噪声注入反馈环路并测量和处理A-B和A-C的增益和相位来捕获实际的环路测量结果。测量设置示意图和照片如图5至图7所示。

 

image.png

图5.网络分析仪的LED驱动器控制环路波德图测量设置


 image.png

图6.Venable System Model 5060A老式网络分析仪,用于高边浮动噪声注入和LED驱动器的测量


image.png

图7.LT3950 LED驱动器上的噪声注入和测量点


 image.png

图8.DC2788A演示电路板上的LT3950 LED驱动器的波德图。


通过LTspice模拟生成的图(蓝线)与使用网络分析仪生成的图(绿线)相关性强。


表1.LT3950 LED驱动器的波德图测量数据比较,LTspice vs.网络分析仪


image.png


Ltspice仿真结果显示与网络分析仪数据的强相关性,证明LTspice是LED驱动器设计中的有效工具——产生大概的参考,帮助工程师缩小元件选择范围。较低频率下的增益和相位与硬件非常相近,较高频率下的仿真数据和硬件数据之间的差异更大。这可能代表了对高频极点、零点、寄生电感、电容和等效串联电阻建模的挑战。


结论


LTspice建模用于测量控制环路增益和相位,生成LED驱动器的波德图。Ltspice仿真数据的精确度取决于所使用的SPICE模型的精确度,精确地建模每个元件以解决现实情况会增加仿真时间。就LED驱动器设计而言,没有完善的元件建模,LTspice数据也可用于相对较快地缩小元件范围并预测总体电路性能。仿真有助于在过渡到硬件设计之前指导设计工程师,节省总体设计时间。粗略地选择元件后,使用内置板和网络分析仪的测量可以确认或对比仿真结果,作为开发期间硬件验证的一种手段。


参考资料:


1 Gabino Alonso.“LTspice:生成SMPS波德图的基本步骤。Analog Devices, Inc.


作者简介


Keith Szolusha是ADI公司应用总监,工作地点位于美国加利福尼亚州圣克拉拉。自2000年起,Keith任职于BBI Power Products Group,重点关注升压、降压-升压和LED驱动器产品,同时还管理电源产品部的EMI室。他毕业于马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院(MIT),1997年获电气工程学士学位,1998年获电气工程硕士学位,专攻技术写作。联系方式:keith.szolusha@analog.com.


Brandon Nghe是Analog Devices的应用工程师。2020年获得加利福尼亚理工州立大学电气工程硕士学位。Brandon负责为汽车应用设计和测试升压、降压-升压和LED驱动器的低电磁干扰DC/DC变换器。联系方式:brandon.nghe@analog.com.


关键字:LTspice  LED  驱动器  波德图 编辑:张工 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/dygl/ic557073.html

上一篇:大联大品佳集团推出基于NXP产品的200W LED Power方案
下一篇:亮度再创新高,艾迈斯欧司朗推出新款汽车前照LED

推荐阅读

如何使用LTspice对复杂电路的统计容差分析进行建模
How to Model Statistical Tolerance Analysis for Complex Circuits Using LTspice如何使用LTspice对复杂电路的统计容差分析进行建模摘要LTspice®可用于对复杂电路进行统计容差分析。本文介绍在LTspice中使用蒙特卡罗和高斯分布进行容差分析和最差情况分析的方法。为了证实该方法的有效性,我们在LTspice中对电压调节示例电路进行建模,通过内部基准电压和反馈电阻演示蒙特卡罗和高斯分布技术。然后,将得出的仿真结果与最差情况分析仿真结果进行比较。其中包括4个附录。附录A提供了有关微调基准电压源分布的见解。附录B提供了LTspice中的高斯分布分析。附录C提
发表于 2022-03-08
如何使用<font color='red'>LTspice</font>对复杂电路的统计容差分析进行建模
如何使用LTspice仿真来解释电压依赖性影响
How to Use LTspice Simulations to Account for the Effect of Voltage Dependence如何使用LTspice仿真来解释电压依赖性影响问题:如何在电路仿真中考虑多层陶瓷电容器(MLCC)的直流偏置影响?答案:使用LTspice的非线性电容功能和合理的模型。本文说明如何使用LTspice®仿真来解释由于使用外壳尺寸越来越小的陶瓷电容器而引起的电压依赖性(或直流偏置)影响。尺寸越来越小、功能越来越多、电流消耗越来越低,为满足这些需求,必须对元件(包括MLCC)的尺寸加以限制。因此,电压依赖性或直流偏置的影响也受到关注。要实现陶瓷电容器的微型化,就必须在越来越小的空间内实
发表于 2022-03-02
如何使用<font color='red'>LTspice</font>仿真来解释电压依赖性影响
适用于电流模式DC-DC转换器的统一的LTspice AC模型
A Unified LTspice AC Model for Current-Mode DC-to-DC Converters适用于电流模式DC-DC转换器的统一的LTspice AC模型简介当电源设计人员想要大致了解电源的反馈环路时,他们会利用环路增益和相位波特图。知道环路响应可进行预测有助于缩小反馈环路补偿元件的选择范围。生成增益和相位图的精准方法是:在试验台上连接电源,并使用网络分析仪;但在设计的早期阶段,大部分设计人员会选择采用计算机模拟,通过模拟快速确定大致的元件选择范围,并且,更直观地了解环路对参数变化的响应。本文主要研究适用于电流模式控制电源的反馈控制模型。电流模式控制在开关模式DC-DC转换器和控制器中相当常见,相比
发表于 2022-02-09
适用于电流模式DC-DC转换器的统一的<font color='red'>LTspice</font> AC模型
使用LTspice进行工程电源和MEMS信号链模拟
摘要本文为设计人员提供了使用LTspice®模拟工程电源解决方案的背景和指导。对工程电源解决方案实施优化后,可使用LTspice研究完整的MEMS信号链。有些传感器具有数字输出,有些传感器则包含模拟输出。对于包含模拟输出的传感器,可使用LTspice以及运算放大器、模数转换器(ADC)甚至可用的MEMS频率响应模型,模拟整个信号链。多快好省针对同一线路上共享电源和数据,目前有多种标准,包括针对数据线供电(PoDL)的IEEE 802.3bu,以及针对以太网供电(PoE)的IEEE 802.3af,采用带有专用电源接口控制器。这些定义的标准通过检测、连接检查、分类和开/关故障监测,提供了受控的安全电源连接。在安全供电情况下,功率水平范
发表于 2021-11-19
使用<font color='red'>LTspice</font>进行工程电源和MEMS信号链模拟
使用半自动化工具改进电源设计—实现快速高效设计五步骤
简介由于没有典型的应用,设计正确的电源既重要又复杂。虽然尚未完全实现电源设计的自动化,但目前已存在一系列半自动化工具。本文通过电源设计过程的五个关键步骤详细介绍如何使用半自动化设计工具。这些工具对于电源设计工程师新手和专家都很有价值。电源设计第1步:创建电源架构创建合适的电源架构是电源设计的决定性步骤。此步骤通过增加所需电压轨的数量而变得更加复杂。此时决定是否需要创建中间电路电压以及创建多少。图1所示为电源的典型方框图。左侧显示工业应用的24 V电源电压。此电压现在必须转换为5 V、3.3 V、1.8 V、1.2 V和0.9 V,并提供相应的电流。生成单个电压的最佳方法是什么?要从24 V转换为5 V,最好选择经典的降压开关转换器。
发表于 2021-08-30
使用半自动化工具改进电源设计—实现快速高效设计五步骤
艾迈斯欧司朗推出生命体征监测系列新品
艾迈斯欧司朗推出生命体征监测系列新品,新产品组合实现更高系统效率和灵活性• 通过艾迈斯欧司朗生命体征监测新产品,客户可根据自身要求,用改进后的发射器、光电二极管或模块灵活增强终端产品功能;• 艾迈斯欧司朗FIREFLY®E 2218系列中的新款单绿光发射器CT DBLP32.12,可用于准确监测心率,产品亮度提高20%,改善了信号质量;• 为了进一步提高系统效率,与发射器相匹配的是新型Chip LED光电二极管SFH 2705和SFH 2706,与前代产品相比,它在530nm绿光下的相对灵敏度提高了约27%;• 艾迈斯欧司朗BIOFY®系列的新模块SFH 7050A和SFH 7060A是全集成光学前端,将LED和光电二极管集中在一个
发表于 2022-06-27
艾迈斯欧司朗推出生命体征监测系列新品

推荐帖子

增强型 NMOS加反向栅源电压是否对漏源漏电流有效
如题目,对于MOS管的datasheet,通常有Vgs等于0时,特定Vds、温度下的漏源电流范围,要减小这个电流,是降低漏源电压有效,还是给栅源加负压有效?温度没法控制。 增强型NMOS加反向栅源电压是否对漏源漏电流有效
呜呼哀哉 模拟电子
高精度半导体激光器驱动电源及温控电路设计
高精度半导体激光器驱动电源及温控电路设计:为了解决布里渊光纤传感系统中半导体激光器光源输出功率和波长易受驱动电流和温度影响的问题,设计 了一种高精度恒流驱动和温控电路。该电路利用深度负反馈积分电路对激光器驱动电流进行精密的恒流控制,同时采 用集成温度控制芯片MAX1978控制半导体制冷片的工作电流,实现对激光器工作温度的精确控制。结果表明,本设计 实现了驱动电流0mA~100mA可调,电流控制最大相对误差为0.06%,电流稳定度为0.02%,温度控制最大误差为 0.03℃,
amperhong 电源技术
简化的6通道串行通讯板怎么设计?
以下设计题中,主CPU芯片均采用ATMega128L-8AU,供电电源为12VDC。 1. ATMega128L的工作电源为2.7V~5.5VDC,因此需要为CPU设计一个合适的电源系统,请使用LM2576-ADJ设计一个三端稳压电路,输出5VDC/3A供整个设计使用,需要设计电源指示灯。 提示: l 要求使用LM2576-ADJ,而不是LM2576-5.0; 2. ATMega128L内置两个串行通讯接口,请围绕这两个接口设计外围接口电路,使得这两个通讯接口可以与PC
yrr123 单片机
关于用GPIO口控制双向可控硅(5V电动机和蜂鸣器)的问题。
我用一块ARM9的板子,供电是锂电池3.7V;目标:我有3个设备(电动机;蜂鸣器;AD模块),这些模块都要5v才能工作。于是我就加一个升压板(3v升5V);但是我想控制这些模块的电源通断。于是用了4个双向可控硅Z0409MF,并用4个GPIO口来控制。(图上没有AD模块)。升压板:3v-》5.5V,700mA;电动机: DC5V;110mA;供电在BELL上方的5V。GPIO口:低电平=接地;高电平=3.3V。现在的情况:我能控制升压板的开关,GPIO口工作都正常(不接直流电动机的情况
vcxz_1982 单片机
菜鸟求助:基于FPGA的超声波流量计电路图与程序源码
紧急求教版主及各路高手,毕业设计老师逼的急,能不能提供下整机电路图,能有原理及源代码更好,跪谢!!!!!!菜鸟求助:基于FPGA的超声波流量计电路图与程序源码
atgfiqvdx FPGA/CPLD
小广播
换一换 更多 相关热搜器件
电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2022 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved