如何使用LTspice来生成LED驱动器的预兆图

文章：Keith Szolusha和Brandon Nghe，Analog Devices Inc.

闭环增益和相位图是用来确定开关稳压器控制回路稳定性的常用工具。适当地进行增益和相位测量时，需要访问并熟悉高级网络分析仪。这些测量包括打破控制回路、注入噪声、通过频率扫描测量产生的增益和相位(见图1)。这种测量控制回路的做法很少应用于LED驱动器。

LED驱动器控制环路的相位和增益测量需要不同的方法(见图1)——偏离典型的电阻分压器路径到gnd的电压调节器注入和测量点。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，但不是每个工程师都有所需的设备和访问经验丰富的工厂应用程序团队。这些工程师是做什么的?

一种选择是构建LED驱动器，看看它如何响应瞬态。瞬态响应观测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中基于频率的增益和相位数，这些可以用来保证稳定性，但它们可以作为一般控制回路的稳定性和速度的指示器。

大信号瞬变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度，因此可以用于理解一般回路稳定性。例如，致密地阻尼的响应可能表示45°至60°距离。或者，瞬态期间的大穗可以表明需要更多c_出或者更快的循环。较长的稳定时间可以表明需要加快环路的带宽(和交叉频率)。这些相对简单的系统检查使开关稳压器控制回路的动态特性得以实现，但需要更深入的分析，增益和相位波德图。

LTspice仿真可以在电路组装或制作之前生成开关稳压器输出瞬态和波德图。这有助于获得控制回路稳定性的粗略概念——补偿元件选择和输出电容大小的起点。基于米德尔布鲁克1975年最初的建议使用LTspice的过程有很好的文档记录(参见“LTspice:生成SMPS波德图的基本步骤”)。¹Middlebrook方法中给出的实际信号注入位置目前并不常用，但多年来一直在调整，最终得到如图1a所示的常用注入位置。

此外，LED驱动器，具有高侧感应电阻和复杂的交流电阻LED负载，应该有一个不同的注入点，无论是今天的注入点，还是米德尔布鲁克在反馈路径中的原始建议，一个之前没有在LTspice中演示的。本文提出的方法说明了如何在LTspice和实验室中生成LED驱动器电流感知反馈环路Bode图。

生成控制回路波德图

标准开关调节器控制回路波德图产生三个关键测量值，可用于确定稳定性和速度:

• 阶段保证金
• 交叉频率(带宽)
• 增益裕度

一般认为，稳定的系统需要45°到60°的相位裕度，保证环路稳定需要-10dB的增益裕度。交叉频率与一般环路速度有关。图1显示了使用网络分析器进行这些测量的设置。

LTspice模拟可用于在LED控制回路中创建类似的注入和测量。图2显示了一个LED驱动器(LT3950)，并将给定频率(f)的理想正弦波直接注入到负感线(ISN)的反馈路径中。测量点A、B和C用于计算注入频率(f)处的增益(dB)和相位(°)。为了绘制整个控制回路波德图，必须在大频率扫描中重复测量，并在f处停止_西南/ 2（转换器的开关频率的一半）。

图1所示。用网络分析仪测量(a)稳压器和(b) LED驱动器的开关稳压器控制回路波德图。为了进行测量，控制回路被打破，一个正弦扰动推入一个高阻抗路径，而由此产生的控制回路增益和相位被测量，使设计者能够量化环路的稳定性。

图2。LTspice型号的DC2788A显示电路，带有噪声注入和测点控制回路。

图2中的点A，B和C的测量确定了注射频率（F）处的控制回路的增益和相位。不同的喷射频率产生不同的增益和相位。为简单起见，并看看这是如何工作的，可以设置注射频率并测量A-C和B-C的增益和相位。这产生了控制回孔曲线图的单个频率点。图3a和图3b显示了10khz±10mv交流注入的增益和相位。图3C和3D显示了40kHz±10 MV AC注射的增益和相位。

频率扫描和B-C和A- c之间增益和相位的测量构成了整个闭环波德图。正如在摘要中提到的，这通常是通过使用一个奇特的(也就是说，昂贵的)网络分析器在工作台上完成的。在LTspice中也可以进行这样的扫描，如图4所示。这些结果通过与使用网络分析仪的台式测试结果进行比较来确认(参见图8)。

图3:通过测量图2中的A、B、C点，可以确定控制回路在注入频率(f)处的增益和相位。不同的注入频率产生不同的增益和相位。图3a和图3b显示了10khz±10mv交流注入的增益和相位。图3c和3d显示了40 kHz±10 mV交流注入的增益和相位。频率扫描和B-C和A- c之间增益和相位的测量构成了闭环波德图。

图4。在LTspice中使用LT3950的波德图测量显示增益(实线)和相位(虚线)。

在LTspice中进行全增益和相位扫描和绘图

要在LTspice中为控制回路创建完整的波德图(增益和相位的图形扫描)，请遵循以下步骤。

步骤1:创建交流注入源

在LTspice中，插入±10mv交流注入电压源和注入电阻，如图2所示标记节点A、B、C。交流电压源值正弦（0 10m {频率}）设置10mv峰值并扫频。用户可以播放峰值正弦值在1 mV和20 mV之间。记住，许多LED驱动器的感应电压是250 mV和100 mV。较高的注入噪声会造成LED电流调节误差。

第二步:计算

在原理图中插入.measure语句作为.sp (SPICE)指令。这些指令执行傅里叶变换，并以dB和相位计算LED驱动器的复杂开环增益和相位。

以下是指令:

• .测量Aavg平均值V(a)-V(c)
• .测量Bavg avg V(b)-V(c)
• 测量是avg (V(a)-V(c)-Aavg)*cos(360*time*Freq)
• 目的avg -(V(a)-V(c)- aavg)*sin(360*time* frequency)
• .measure Bre avg (V(b)-V(c)-Bavg)*cos(360*time*Freq)
• .测量Bim avg -(V(b)-V(c)- bavg)*sin(360*time*Freq)
• .measure GainMag param 20*log10(hypot(Are,Aim) / hypot(Bre,Bim))
• .measure GainPhi参数mod(atan2(Aim, Are) - atan2(Bim, Bre)+180,360)-180

步骤3:设置测量参数

还需要一些小的指示。首先，电路必须在一个稳定的模拟状态(过去的启动)，以作出适当的测量。调整t0，即测量的开始时间和停止时间。启动时间可以通过启动模拟和观察启动时间来估计或积累。停止时间被选择为10/freq，或在达到稳定状态后的10个周期-通过对每个频率平均超过10个周期来减少误差。

以下是指令:

• .param t0 = 0.2m
• .tran 0 {t0+10/freq} {t0}启动
• .step oct参数频率1K 1M 3

第四步:设置频率采样步长和范围

step命令设置要执行分析的频率分辨率和范围。在本例中，模拟在1kHz到1MHz之间运行，分辨率为每八度三个点。波德图测量精度可达f_西南/2，因此频率上限应设置为系统开关频率的一半。显然，更多的点可以提高分辨率，但模拟需要更长的时间。每八度音阶三个点是分辨率的低端，但以最小分辨率运行模拟可以节省一些时间。然而，从总体设计周期来看，5分钟的模拟比设计、组装和测试pcb要快几个数量级。考虑到这一点，您可能希望以更高的分辨率运行，例如每个八度音阶有五个或更多点，以生成更完整和更容易查看的结果。

步骤5:运行模拟

这看起来很简单，但是LTspice需要多个生产步骤来生成Bode图。第一步是运行仿真，它(还)不会给出图，而是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。

第六步:制作波德图

打开香料错误日志右键单击原理图窗口并选择绘制。step 'ed .meas数据．选择可见的痕迹从情节设置菜单并选择获得绘制数据。还可以单击导出测量数据文件并选择将数据导出为文本以生成Bode数据的CSV文件。

使用网络分析仪-超越仿真的波德图确认

控制循环的仿真不像真实的东西那样可靠，不应用于环路稳定性和边缘的完整保证。在设计过程的某个阶段，应使用网络分析工具在实验室中验证控制循环。

LTspice生成的波德图可以与网络分析仪的波德图测量结果进行比较。就像仿真一样，实际环路测量是通过将噪声注入反馈环路并测量和处理A-B和A-C增益和相位来捕获的。测量设置示意图和照片如图5至图7所示。

图5:LED驱动器控制环路波德图测量设置使用网络分析仪。

图6:Venable System Model 5060A vintage网络分析仪，用于LED驱动器的高侧浮动噪声注入和测量。

图7:LT3950 LED驱动器上的噪声注入和测点。

图8:DC2788A演示电路上的LT3950 LED驱动器的伯德图。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)有很强的相关性。

表1。用于LT3950 LED驱动器的LTspice与网络分析仪的伯德图测量数据比较

LTspice仿真结果显示与网络分析仪数据有很强的相关性，证明LTspice在LED驱动器设计中是一个有用的工具——生成一个粗略的基线，以帮助工程师缩小组件选择的范围。低频时的增益和相位与硬件密切相关，高频时的仿真数据与硬件数据有较大差异。这可能代表了建模高频极点、零、寄生电感、电容和等效串联电阻的挑战。

结论

LTspice建模可用于测量控制环路增益和相位，从而生成LED驱动器的波德图。LTspice模拟数据的准确性依赖于所使用SPICE模型的准确性，尽管为考虑真实世界的行为而对每个组件进行仔细建模的代价是增加模拟时间。对于LED驱动器的设计，LTspice数据对于相对快速地缩小元件领域和预测一般电路行为是有用的，即使没有完美的元件建模。在过渡到硬件实现之前，一个工作模拟可以帮助指导设计工程师，节省总体设计时间。一旦做出粗略的组件选择，使用带有网络分析仪的构建板进行测量，就可以确认或对比仿真结果，作为开发期间硬件验证的手段。

参考

1. Gabino阿隆索。”LTspice:生成SMPS波德图的基本步骤.“模拟设备公司”。

关于作者

基斯Szolusha是加州圣克拉拉模拟设备公司的应用总监。Keith自2000年以来一直在BBI电源产品集团工作，专注于升压、buck-boost和LED驱动产品，同时管理电源产品EMI室。他于1997年获得理学学士学位，1998年获得麻省理工学院硕士学位，专注于技术写作。可以和他联系keith.szolusha@analog.com。

布兰登的明秀是模拟设备公司的应用工程师。他于2020年获得加州理工州立大学硕士学位。Brandon负责低EMI汽车应用的升压、降压和LED驱动dc - dc转换器的设计和测试。可以和他联系brandon.nghe@analog.com。