在上篇《活學(xué)活用 LTspice 進(jìn)行電路設(shè)計(jì) — DC-DC 轉(zhuǎn)換器仿真》中，我們介紹了開關(guān)穩(wěn)壓器的高速仿真功能?；仡櫼幌拢珼C-DC 轉(zhuǎn)換器性能評估一般包括以下四個(gè)要素：

輸出紋波電壓

轉(zhuǎn)換效率

電源啟動(dòng)時(shí)，檢查輸出電壓過沖和浪涌電流

SW 節(jié)點(diǎn)波形、輸出瞬態(tài)響應(yīng)等

前兩個(gè)要素在上篇 LTspice 系列文章中已分點(diǎn)解析，本文將繼續(xù)以降壓轉(zhuǎn)換器 LT8640 為例，介紹如何使用 LTspice 仿真功能，檢查電源啟動(dòng)時(shí)的運(yùn)作情況。

電源啟動(dòng)時(shí)的運(yùn)作情況

通常在啟動(dòng)電源時(shí)，需要檢查有無輸出電壓過沖和浪涌電流，這兩點(diǎn)在電源電路設(shè)計(jì)中是檢查電源性能的必要參數(shù)。具體來說，輸出電壓過沖可能會(huì)導(dǎo)致后續(xù)設(shè)備出現(xiàn)故障或失效。此外，如果浪涌電流較大，可能會(huì)出現(xiàn)超過電路中元件 (電感器等) 額定值的情況，這也將直接影響到電源 IC 的正常運(yùn)作。以下介紹使用 LTspice 輕松檢查的方法。

檢查輸出電壓過沖

在觀察電源啟動(dòng)時(shí)的運(yùn)作情況，除了輸出電壓波形，還要確認(rèn)輸入電壓在規(guī)格范圍內(nèi)最小至最大電壓下的輸出電壓波形，負(fù)載電流也同樣需要在規(guī)格范圍內(nèi)的條件下確認(rèn)。在檢查輸出電壓有無過沖的同時(shí)，還要檢查有無振鈴或下沖。如果發(fā)生這些情況，不僅輸出電壓穩(wěn)定所需的時(shí)間超過必要的時(shí)間，而且如果波動(dòng)較大，則會(huì)導(dǎo)致后續(xù)設(shè)備 (被供電的設(shè)備) 發(fā)生故障。

檢查輸出電壓波形 (正常運(yùn)行期間)?

如下圖 (圖1) 所示，為正常狀態(tài)下的輸出電壓波形。放大過沖并檢查峰值電壓，將范圍從 500 μs 擴(kuò)大到 700 μs，包括穩(wěn)態(tài)。關(guān)于波形放大流程，請參閱上篇系列文章《活學(xué)活用 LTspice 進(jìn)行電路設(shè)計(jì) — DC-DC 轉(zhuǎn)換器仿真》。

圖1 正常狀態(tài)下的輸出電壓波形

將鼠標(biāo)移動(dòng)到峰值部分，屏幕左下角顯示為 5.0334V，如下圖 (圖2) 所示。相較于 5V 輸出電壓 (穩(wěn)態(tài))，此時(shí)輸出電壓誤差約為 0.7%，在大多數(shù)情況下都能正常運(yùn)作。如果需要查找峰值了解更多詳細(xì)信息，請單擊 Autorange 按鈕。

圖2 正常狀態(tài)下放大的輸出電壓波形

檢查輸出電壓波形 (異常運(yùn)行期間)

上文以正常運(yùn)作為例介紹了如何檢查輸出電壓過沖，但在異常情況下，我們可以通過調(diào)整相位和增益余量來優(yōu)化振鈴、過沖和下沖。除此之外，還可以調(diào)整軟啟動(dòng)和負(fù)載電容。這里所說的異常運(yùn)行，是指比如當(dāng)過沖電壓達(dá)到后續(xù)器件的絕對最大額定值時(shí)。以 LT8640 為例，通過改變連接到軟啟動(dòng)引腳的電容器的容量，對其進(jìn)行仿真模擬。

將電路圖中連接 TR/SS 引腳的軟啟動(dòng)電容 (C2) 常數(shù)由 1nF 改為 1pF，進(jìn)行仿真模擬的結(jié)果，如下圖 (圖3) 所示。同樣，如果把過沖部分放大，就能清楚地看到差異。

補(bǔ)充說明

軟啟動(dòng)引腳 (電容器) 一般由用戶來控制啟動(dòng)期間輸出電壓上升的速度。

圖3 輸出電壓波形（改變C2時(shí)）

將鼠標(biāo)移動(dòng)到峰值部分，屏幕左下角顯示為 5.449V，如下圖 (圖4) 所示。相較于 5V 輸出電壓 (穩(wěn)態(tài))，此時(shí)的輸出電壓誤差約為 9%，在諸如 CPU 電源等需要 5% 或更低誤差的應(yīng)用中，它被判斷為異常，需要重新檢查電路。

另外，由于這次的擴(kuò)展范圍為 50μs 到 400μs，可以確認(rèn)電源的上升速度更快。因此，使用 LTspice 仿真功能，可以輕松檢查單個(gè)軟啟動(dòng)電容器顯著特性變化。

圖4 過充拓展（更改C2時(shí)）

附加功能 — 使用 .step 命令

在以上輸出電壓過沖的仿真模擬中，我們改變了電路中的常數(shù)，還比較了所產(chǎn)生的波形，以確認(rèn)其差異。如果能將電路中不斷變化的輸出電壓結(jié)果顯示在同一個(gè)屏幕上，將大大提高便利性。在 LTspice 中，我們可以通過使用.step命令來實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，以下介紹 .step 命令的設(shè)置方法。

第一步：使用 .step 命令給變量值分配符號(hào)，并將符號(hào) {X} 分配給 C2 (軟啟動(dòng)電容器)。如下圖 (圖5、圖6) 所示：

圖5 C2定數(shù)變更①

圖6 C2定數(shù)變更②

第二步：通過單擊 “.op ” 或右鍵單擊來設(shè)置命令，并在 Edit Text on the Schematic 輸入 “.step param X 200p 1000p 200p ”，即從 200p 到 1000p 在 200p 的幅度波動(dòng)。如下圖 (圖7) 所示：

圖7 輸入命令

第三步：確認(rèn)下圖 (圖8) 中的 ① 和 ② 后，按運(yùn)行按鈕。 ?

?圖8 設(shè)置后的電路圖

如下圖 (圖9) 所示，在同一結(jié)果屏幕上得到了 C2 以 5 種取值時(shí)的輸出波形。通過觀察，C2 值越小，電源的上升速度越快，但過沖也越大。

圖9 5種取值時(shí)的輸出波形

檢查有無浪涌電流 ?電源啟動(dòng)時(shí)，除了檢查輸出電壓過沖，還要確認(rèn)有無浪涌電流。由于輸出電壓的上升，會(huì)產(chǎn)生啟動(dòng)沖擊電流。如果這個(gè)電流過大，供電的前級電源電路或電池提供的電流將處于過電流狀態(tài)，導(dǎo)致電壓下降，最壞的情況是關(guān)閉供電。當(dāng)然，也有可能是電流超過電路中的元件 (電感器等) 的額定值，在這種情況下，將無法作為電源 IC 正常工作。

檢查電感器的電流波形

以電感器電流測量為例進(jìn)行說明，當(dāng)電路與檢查輸出過沖時(shí)相同，使用 .step 命令 (C2 電容器) 中的電感器電流測量結(jié)果，如下圖 (圖10) 所示：

在 L1 上單擊以查看電感器電流。紅框部分為浪涌電流，當(dāng) C2=200pF 時(shí)，瞬態(tài)流過 13A 的電流。通過觀察，C2 (軟啟動(dòng)電容器) 值越小，浪涌電流越大。因而選擇電感器時(shí)，需要選擇包括該浪涌電流方面也合規(guī)的電感器。

圖10 電感電流波形

附加功能 —?劃分繪圖框

在之前的上篇系列文章《活學(xué)活用 LTspice 進(jìn)行電路設(shè)計(jì) — DC-DC 轉(zhuǎn)換器仿真》中，有一張 “ LT8640原理圖和輸入/輸出波形 ” 的配圖，其中輸入電壓 (Vin) 和輸出電壓 (Vout) 被繪制在不同的圖表中。實(shí)際上如果能實(shí)現(xiàn)同一屏幕分別展示電流和電壓的波形，將大大提高工作效率。以下介紹該功能的具體操作流程：

第一步：從 “ Plot Settings ” 下拉菜單中選擇 “ Add Plot Pane ” 以分隔繪圖邊界，如下圖 (圖11) 所示。注意：除非將波形屏幕設(shè)置為活動(dòng)窗口，否則不會(huì)出現(xiàn) Plot Settings 的下拉菜單。

圖11 選擇“Add Plot Pane”

第二步：在波形窗口的頂部會(huì)出現(xiàn)新的圖框，將要移動(dòng)的波形標(biāo)題拖動(dòng)到新的繪圖框 (這里設(shè)置為 Vout)，如下圖 (圖12) 所示：

圖12 在另一個(gè)繪圖框中觀察波形

如下圖 (圖13) 所示，Vout 波形顯示在屏幕的上半部分，而 Iout 波形顯示在下半部分。如果想增加更多新的繪圖框，請回到步驟一，執(zhí)行相同的操作，添加 3 或 4 個(gè)新的繪圖框。

此外，如果要?jiǎng)h除波形，請?jiān)趫D形界面中選擇剪切標(biāo)記 (Cut) 命令，并在要?jiǎng)h除的波形名稱上單擊鼠標(biāo)以刪除波形。如果要?jiǎng)h除繪圖框，也可以在選中剪切命令的情況下單擊鼠標(biāo)將其刪除。

圖13 在一個(gè)單獨(dú)的圖框中觀察2個(gè)波形

總結(jié)

在以往的 LTspice 系列文章中，我們介紹了使用 LTspice 輕松檢查 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的特性，而在本文，我們聚焦于電源啟動(dòng)時(shí)的運(yùn)作情況。除此之外，LTspice 也可以用來檢查其他各種各樣的特性。

審核編輯：湯梓紅

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