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How to Use LTspice to Produce Bode Plots for LED Drivers 作者：ADI 公司 應用總監 Keith Szolusha 和 應用工程師 Brandon Nghe 摘要 適當的控制環(huán)路相位和增益測量應由擁有（昂貴的）設備和相應經(jīng)驗的工廠(chǎng)專(zhuān)家進(jìn)行。如果缺少其中一個(gè)或兩個(gè)都沒(méi)有，則還有另一種選擇。 簡(jiǎn)介 閉環(huán)增益和相位圖是用于確定開(kāi)關(guān)調節器控制環(huán)路穩定性的常用工具。正確完成增益和相位測量需熟悉高級網(wǎng)絡(luò )分析儀。測量包括斷開(kāi)控制環(huán)路、注入噪聲，以及測量一定頻率范圍內的增益和相位（見(jiàn)圖1）。這種測量控制環(huán)路的做法很少應用于LED驅動(dòng)器。 LED驅動(dòng)器控制環(huán)路相位和增益測量需要采用一種不同的方法（見(jiàn)圖1）——從典型的電阻分壓路徑到GND電壓調節器注入和測量點(diǎn)的偏差。在這兩種情況下，臺式控制環(huán)路相位和增益測量是保證穩定性的最佳方法，但并非每個(gè)工程師都有所需的設備和經(jīng)驗豐富的工廠(chǎng)應用程序團隊加持。工程師們該怎么辦呢？ 一種選擇是構建LED驅動(dòng)器，查看它瞬態(tài)的響應。瞬態(tài)響應觀(guān)察需要應用板和更常見(jiàn)的臺式設備。瞬態(tài)分析的結果缺乏波德圖基于頻率的增益和相位數據——可用于保證穩定性，也可作為一般控制環(huán)路穩定性和速度的指示器。 大信號瞬態(tài)可用于檢查絕對偏差和系統響應時(shí)間。瞬態(tài)擾動(dòng)的形狀表示相位或增益裕量，因此可用于了解一般環(huán)路穩定性。例如，臨界阻尼響應可能表示45°至60°的相位裕度�；蛘�，瞬態(tài)期間的大尖峰可能表示需要更多的COUT或更快的環(huán)路。較長(cháng)的建立時(shí)間可能表示需要加快環(huán)路的帶寬（和交越頻率）。這些相對簡(jiǎn)單的系統檢查能夠在運行中描繪開(kāi)關(guān)調節器的控制環(huán)路，但增益和相位波德圖需要進(jìn)行更深入的分析。 LTspice®仿真可用在組裝或生產(chǎn)電路之前生成開(kāi)關(guān)調節器輸出的瞬變波形和波德圖。這有助于大致了解控制環(huán)路的穩定性，以便開(kāi)始選擇補償元件和確定輸出電容大小。LTspice的使用過(guò)程基于1975年Middlebrook的最初建議（請參閱“LTspice：生成SMPS波德圖的基本步驟”）。目前，Middlebrook的方法中列出的實(shí)際信號注入位置并不常用，但經(jīng)過(guò)多年的調整，得出了如圖1a所示的常用注入位置。 此外，帶有高邊檢測電阻和復雜交流電阻LED負載的LED驅動(dòng)器，在反饋路徑中應有一個(gè)不同于目前的注入點(diǎn)或Middlebrook最初建議的注入點(diǎn)，LTspice此前未予說(shuō)明。這里介紹的方法是展示如何在LTspice和實(shí)驗室中生成LED驅動(dòng)器電流測量反饋環(huán)路波德圖。 產(chǎn)生控制環(huán)路波德圖 標準開(kāi)關(guān)調節器控制環(huán)路波德圖產(chǎn)生三個(gè)關(guān)鍵測量值，用于確定穩定性和速度： u 相位裕量 u 交越頻率（帶寬） u 增益裕量 一般認為，穩定的系統需要45°至60°的相位裕度，而為保證環(huán)路穩定性則需要–10 dB的增益裕量。交越頻率與一般環(huán)路速度有關(guān)。圖1顯示了使用網(wǎng)絡(luò )分析儀進(jìn)行這些測量的設置。 LTspice模擬可用在LED的控制環(huán)路中創(chuàng )建類(lèi)似的注入和測量。圖2顯示了一個(gè)LED驅動(dòng)器（LT3950），給定頻率（f）的理想正弦波直接注入到負感測線(xiàn)（ISN）的反饋路徑中。測量點(diǎn)A、B和C用于計算注入頻率（f）下的增益（dB）和相位（°）。為了繪制整個(gè)控制環(huán)路的波德圖，必須在大頻率掃描范圍內重復該測量，并在fSW/2（轉換器開(kāi)關(guān)頻率的一半）處停止。 
圖1.開(kāi)關(guān)調節器控制環(huán)路波德圖測量，帶有網(wǎng)絡(luò )分析儀，用于（a）電壓調節器和（b）LED驅動(dòng)器。 為了進(jìn)行測量，控制環(huán)路斷開(kāi)，正弦波擾動(dòng)進(jìn)入高阻抗路徑，同時(shí)測量由此產(chǎn)生的控制環(huán)路增益和相位，使設計人員能夠量化環(huán)路的穩定性。
圖2.LT3950 DC2788A演示電路LED驅動(dòng)器LTspice模型，帶控制環(huán)路噪聲注入和測量點(diǎn) 圖2中點(diǎn)A、點(diǎn)B和點(diǎn)C的測量值決定了注入頻率（f）下控制環(huán)路的增益和相位。不同的注入頻率產(chǎn)生不同的增益和相位�？傊�，為了解它的工作原理，可以設置注入頻率，并測量A-C和B-C的增益和相位。這會(huì )產(chǎn)生控制環(huán)路波德圖的單個(gè)頻率點(diǎn)。圖3a和3b顯示了10 kHz±10 mV AC注入的增益和相位。圖3c和3d顯示了40 kHz±10 mV AC注入的增益和相位。 頻率掃描以及B-C和A-C之間的增益和相位測量生成整個(gè)閉環(huán)波德圖。如摘要中所述，這通常是在工作臺上使用一臺昂貴的網(wǎng)絡(luò )分析儀來(lái)完成的。在LTspice中也可進(jìn)行這種掃描，如圖4所示。通過(guò)與使用網(wǎng)絡(luò )分析儀的臺式測試結果進(jìn)行比較，證實(shí)這些結果（見(jiàn)圖8）。
圖3.圖2中點(diǎn)A、點(diǎn)B和點(diǎn)C的測量值決定了注入頻率（f）下控制環(huán)路的增益和相位。不同的注入頻率產(chǎn)生不同的增益和相位。圖3a和3b顯示了10 kHz±10 mV AC注入的增益和相位。圖3c和3d顯示了40 kHz±10 mV AC注入的增益和相位。頻率掃描以及B-C和A-C之間的增益和相位測量生成閉環(huán)波德圖。
圖4.用LTspice中的LT3950進(jìn)行波德圖測量，顯示增益（實(shí)線(xiàn)）和相位（虛線(xiàn)） 在LTspice中創(chuàng )建全部增益和相位掃描和波德圖 要在LTspice中為控制環(huán)路創(chuàng )建全部波德圖、增益和相位的圖形掃描，請按照下列步驟操作。 第1步：創(chuàng )建交流電注入源 在LTspice中，插入±10 mV AC注入電壓源和注入電阻，并標記節點(diǎn)A，B和C，如圖2所示。交流電壓源值SINE（0 10m {Freq}）設置10 mV峰值并掃描頻率。用戶(hù)可以使用1 mV至20 mV的正弦峰值來(lái)進(jìn)行計算。注意：許多LED驅動(dòng)器的感應電壓分別為250 mV和100 mV。較高的注入噪聲會(huì )產(chǎn)生LED電流調節誤差。 第2步：添加Math 在原理圖上將測量描述作為.sp（SPICE）指令插入。這些指令執行傅里葉變換公式，并以dB和相位計算LED驅動(dòng)器的復數開(kāi)環(huán)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：設置測量參數 還需要一些小的指令。首先，為進(jìn)行正確的測量，電路必須處于模擬的穩定狀態(tài)（啟動(dòng)后）。調整t0，或測量的開(kāi)始時(shí)間和停止時(shí)間。通過(guò)模擬和觀(guān)察啟動(dòng)時(shí)間來(lái)估算或得出開(kāi)始時(shí)間。達到穩定狀態(tài)后，停止時(shí)間定為10/freq，即10個(gè)周期，通過(guò)對每個(gè)頻率的10個(gè)周期求平均值來(lái)減少誤差。 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：設置頻率采樣步長(cháng)和范圍 .step命令設置執行分析的頻率分辨率和范圍。本例中，使用每倍頻程3點(diǎn)的分辨率，模擬1 kHz到1 MHz。波德圖測量可以精準到fSW/2，頻率上限設置為系統開(kāi)關(guān)頻率的一半。顯然，點(diǎn)越多，分辨率越高，仿真時(shí)間越長(cháng)。每倍頻程3點(diǎn)是最低的分辨率，但以最小分辨率運行仿真可節省一些時(shí)間。從總體設計周期看，5分鐘的仿真比設計、組裝和測試印刷電路板快幾個(gè)數量級�；谶@點(diǎn)，以更高的分辨率運行，例如每倍頻程5點(diǎn)或以上，生成更完整且更容易查看的結果。 第5步：運行仿真 這會(huì )比較直觀(guān)，但LTspice需要多個(gè)步驟制作波德圖。第一步是運行仿真，暫不生成圖，只顯示正常范圍的電壓和電流測量值。按照以下步驟生成波德圖。 第6步：制作波德圖 右鍵單擊原理圖窗口，打開(kāi)“SPICE錯誤日志” ，選擇Plot .step’ed .meas data。從“畫(huà)圖設置目錄”中選擇“可見(jiàn)曲線(xiàn)”，然后選擇“增益”來(lái)繪制數據�；蛘�，可通過(guò)單擊文件，然后選擇將數據導出為文本，產(chǎn)生波德數據的CSV文件，導出測量數據， 在仿真之后，使用網(wǎng)絡(luò )分析儀進(jìn)行波德圖確認。 控制環(huán)路的仿真不像真實(shí)的那樣可靠，它不能完全保證環(huán)路的穩定性和裕度。在設計過(guò)程的某個(gè)階段，應在實(shí)驗室使用網(wǎng)絡(luò )分析儀工具驗證控制環(huán)路。 LTspice中生成的波德圖可以與網(wǎng)絡(luò )分析儀的波德圖測量結果比較。類(lèi)似放真，通過(guò)將噪聲注入反饋環(huán)路并測量和處理A-B和A-C的增益和相位來(lái)捕獲實(shí)際的環(huán)路測量結果。測量設置示意圖和照片如圖5至圖7所示。
圖5.網(wǎng)絡(luò )分析儀的LED驅動(dòng)器控制環(huán)路波德圖測量設置
圖6.Venable System Model 5060A老式網(wǎng)絡(luò )分析儀，用于高邊浮動(dòng)噪聲注入和LED驅動(dòng)器的測量
圖7.LT3950 LED驅動(dòng)器上的噪聲注入和測量點(diǎn)
圖8.DC2788A演示電路板上的LT3950 LED驅動(dòng)器的波德圖。 通過(guò)LTspice模擬生成的圖（藍線(xiàn)）與使用網(wǎng)絡(luò )分析儀生成的圖（綠線(xiàn)）相關(guān)性強。 表1.LT3950 LED驅動(dòng)器的波德圖測量數據比較，LTspice vs.網(wǎng)絡(luò )分析儀
Ltspice仿真結果顯示與網(wǎng)絡(luò )分析儀數據的強相關(guān)性，證明LTspice是LED驅動(dòng)器設計中的有效工具——產(chǎn)生大概的參考，幫助工程師縮小元件選擇范圍。較低頻率下的增益和相位與硬件非常相近，較高頻率下的仿真數據和硬件數據之間的差異更大。這可能代表了對高頻極點(diǎn)、零點(diǎn)、寄生電感、電容和等效串聯(lián)電阻建模的挑戰。 結論 LTspice建模用于測量控制環(huán)路增益和相位，生成LED驅動(dòng)器的波德圖。Ltspice仿真數據的精確度取決于所使用的SPICE模型的精確度，精確地建模每個(gè)元件以解決現實(shí)情況會(huì )增加仿真時(shí)間。就LED驅動(dòng)器設計而言，沒(méi)有完善的元件建模，LTspice數據也可用于相對較快地縮小元件范圍并預測總體電路性能。仿真有助于在過(guò)渡到硬件設計之前指導設計工程師，節省總體設計時(shí)間。粗略地選擇元件后，使用內置板和網(wǎng)絡(luò )分析儀的測量可以確認或對比仿真結果，作為開(kāi)發(fā)期間硬件驗證的一種手段。 參考資料： 1 Gabino Alonso.“LTspice：生成SMPS波德圖的基本步驟。Analog Devices, Inc. 作者簡(jiǎn)介 Keith Szolusha是ADI公司應用總監，工作地點(diǎn)位于美國加利福尼亞州圣克拉拉。自2000年起，Keith任職于BBI Power Products Group，重點(diǎn)關(guān)注升壓、降壓-升壓和LED驅動(dòng)器產(chǎn)品，同時(shí)還管理電源產(chǎn)品部的EMI室。他畢業(yè)于馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學(xué)院(MIT)，1997年獲電氣工程學(xué)士學(xué)位，1998年獲電氣工程碩士學(xué)位，專(zhuān)攻技術(shù)寫(xiě)作。聯(lián)系方式：keith.szolusha@analog.com. Brandon Nghe是Analog Devices的應用工程師。2020年獲得加利福尼亞理工州立大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位。Brandon負責為汽車(chē)應用設計和測試升壓、降壓-升壓和LED驅動(dòng)器的低電磁干擾DC/DC變換器。聯(lián)系方式：brandon.nghe@analog.com. |
