擁有（昂貴）設(shè)備和相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)的工廠專(zhuān)家應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂苹芈废辔缓驮鲆鏈y(cè)量。對(duì)于那些無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)其中一個(gè)或任何一個(gè)的人，還有另一種選擇。

閉環(huán)增益和相位圖是用于確定開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中控制環(huán)路穩(wěn)定性的常用工具。正確進(jìn)行增益和相位測(cè)量時(shí)，需要訪(fǎng)問(wèn)和熟悉精美的網(wǎng)絡(luò)分析儀。測(cè)量包括斷開(kāi)控制環(huán)路、注入噪聲以及在頻率掃描中測(cè)量所得增益和相位（參見(jiàn)圖 1）。這種測(cè)量控制回路的做法很少應(yīng)用于 LED 驅(qū)動(dòng)器。

LED 驅(qū)動(dòng)器控制環(huán)路相位和增益測(cè)量需要不同的方法（參見(jiàn)圖 1）——偏離典型的電阻分壓器路徑到 GND 穩(wěn)壓器注入和測(cè)量點(diǎn)。在這兩種情況下，臺(tái)式控制環(huán)路相位和增益測(cè)量是保證穩(wěn)定性的最佳方式，但并非每個(gè)工程師都可以輕松獲得所需的設(shè)備并訪(fǎng)問(wèn)經(jīng)驗(yàn)豐富的工廠應(yīng)用程序團(tuán)隊(duì)。這些工程師是做什么的？

一種選擇是構(gòu)建 LED 驅(qū)動(dòng)器并查看它如何響應(yīng)瞬變。瞬態(tài)響應(yīng)觀察需要應(yīng)用板和更常見(jiàn)的臺(tái)式設(shè)備。瞬態(tài)分析的結(jié)果缺少波特圖基于頻率的增益和相位數(shù)（可用于保證穩(wěn)定性），但它們可以作為一般控制回路穩(wěn)定性和速度的指標(biāo)。

大信號(hào)瞬態(tài)可用于檢查絕對(duì)偏差和系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。瞬態(tài)干擾的形狀表示相位或增益裕度，因此可用于了解一般環(huán)路穩(wěn)定性。例如，臨界阻尼響應(yīng)可能表示 45° 到 60° 的相位裕度。或者，瞬態(tài)期間的大尖峰可能表明需要更多的 COUT 或更快的環(huán)路。較長(zhǎng)的建立時(shí)間可能表明需要加快環(huán)路的帶寬（和交叉頻率）。這些相對(duì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)檢查能夠?qū)﹂_(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的控制環(huán)路進(jìn)行動(dòng)態(tài)表征，但需要增益和相位波特圖進(jìn)行更深入的分析。

LTspice 仿真可用于在組裝或制造電路之前生成開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器輸出瞬態(tài)和波特圖。這有助于粗略了解控制回路的穩(wěn)定性——補(bǔ)償元件選擇和輸出電容器尺寸的起點(diǎn)。根據(jù) Middlebrook 在 1975 年的最初建議使用 LTspice 的過(guò)程有充分的記錄（請(qǐng)參閱“ LTspice：生成 SMPS 波特圖的基本步驟”）。 1 Middlebrook 方法中規(guī)定的實(shí)際信號(hào)注入位置現(xiàn)在并不常用，但多年來(lái)一直在調(diào)整，導(dǎo)致常用的注入位置如圖 1a 所示。

此外，帶有高邊檢測(cè)電阻器和復(fù)雜交流電阻 LED 負(fù)載的 LED 驅(qū)動(dòng)器的注入點(diǎn)應(yīng)該與今天的注入點(diǎn)或 Middlebrook 在反饋路徑中的原始建議不同，這是以前未在 LTspice 中展示的。此處介紹的方法展示了如何在 LTspice 和實(shí)驗(yàn)室中生成 LED 驅(qū)動(dòng)器電流檢測(cè)反饋環(huán)路波特圖。

生成控制環(huán)波特圖

標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器控制回路波特圖產(chǎn)生三個(gè)關(guān)鍵測(cè)量值，可用于確定穩(wěn)定性和速度：

相位裕度

交叉頻率（帶寬）

獲得利潤(rùn)

人們普遍認(rèn)為，穩(wěn)定的系統(tǒng)需要 45° 至 60° 的相位裕度，而保證環(huán)路穩(wěn)定性則需要 –10 dB 的增益裕度。交叉頻率與一般環(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(cè)量的設(shè)置。

LTspice 仿真可用于在 LED 的控制回路中創(chuàng)建類(lèi)似的注入和測(cè)量。圖 2 顯示了一個(gè) LED 驅(qū)動(dòng)器 （ LT3950 ），其具有給定頻率 （f） 的理想正弦波，直接注入負(fù)檢測(cè)線(xiàn) （ISN） 上的反饋路徑。測(cè)量點(diǎn) A、B 和 C 用于計(jì)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)路波特圖，必須在大頻率掃描中重復(fù)該測(cè)量，在 fSW/2（轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)頻率的一半）處停止。

圖 1. 使用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì) （a） 穩(wěn)壓器和 （b） LED 驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器控制環(huán)路波特圖測(cè)量。為了進(jìn)行測(cè)量，控制環(huán)路被破壞，正弦擾動(dòng)推入高阻抗路徑，同時(shí)測(cè)量得到的控制環(huán)路增益和相位，使設(shè)計(jì)人員能夠量化環(huán)路的穩(wěn)定性。

圖 2. 具有控制環(huán)路噪聲注入和測(cè)量點(diǎn)的 LT3950 DC2788A 演示電路 LED 驅(qū)動(dòng)器 LTspice 模型。

圖 2 中點(diǎn) A、B 和 C 的測(cè)量確定了控制回路在注入頻率 （f） 下的增益和相位。不同的注入頻率產(chǎn)生不同的增益和相位。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，并了解其工作原理，可以設(shè)置注入頻率并測(cè)量 AC 和 BC 的增益和相位。這會(huì)產(chǎn)生控制回路波特圖的單個(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 BC 和 AC 之間的增益和相位測(cè)量構(gòu)成了整個(gè)閉環(huán)波特圖。正如摘要中提到的，這通常是在工作臺(tái)上使用花哨的（即昂貴的）網(wǎng)絡(luò)分析儀完成的。在 LTspice 中也可以進(jìn)行這種掃描，如圖 4 所示。通過(guò)將它們與使用網(wǎng)絡(luò)分析儀的臺(tái)式測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較來(lái)確認(rèn)這些結(jié)果（參見(jiàn)圖 8）。

圖 3. 圖 2 中 A、B 和 C 點(diǎn)的測(cè)量確定了注入頻率 （f） 下控制回路的增益和相位。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 BC 和 AC 之間的增益和相位測(cè)量構(gòu)成了閉環(huán)波特圖。

圖 4. 使用 LTspice 中的 LT3950 進(jìn)行的波特圖測(cè)量顯示增益（實(shí)線(xiàn)）和相位（虛線(xiàn)）。

在 LTspice 中進(jìn)行全增益和相位掃描和繪圖

要在控制回路的 LTspice 中創(chuàng)建完整的波特圖、增益和相位的圖形掃描，請(qǐng)按照以下步驟操作。

第 1 步：創(chuàng)建交流注入源

在 LTspice 中，插入 ±10 mV 交流注入電壓源和注入電阻，并標(biāo)記節(jié)點(diǎn) A、B 和 C，如圖 2 所示。交流電壓源值 SINE（0 10m {Freq}） 設(shè)置 10 mV 峰值并掃描頻率。用戶(hù)可以使用 1 mV 和 20 mV 之間的峰值正弦值。請(qǐng)記住，許多 LED 驅(qū)動(dòng)器的感應(yīng)電壓為 250 mV 和 100 mV。較高的注入噪聲會(huì)產(chǎn)生 LED 電流調(diào)節(jié)誤差。

第 2 步：添加數(shù)學(xué)

在原理圖上插入 .measure 語(yǔ)句作為 .sp （SPICE） 指令。這些指令執(zhí)行傅里葉變換并計(jì)算 LED 驅(qū)動(dòng)器的復(fù)雜開(kāi)環(huán)增益和相位（以 dB 和相位為單位）。

以下是指令：

.measure Aavg 平均 V（a）-V（c）

.measure Bavg avg V（b）-V（c）

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

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

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

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

.measure GainMag 參數(shù) 20*log10（hypot（Are，Aim） / hypot（Bre，Bim））

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

步驟 3：設(shè)置測(cè)量參數(shù)

需要更多的小指令。首先，為了進(jìn)行正確的測(cè)量，電路必須處于模擬的穩(wěn)定狀態(tài)（過(guò)去的啟動(dòng)）。調(diào)整 t0 或測(cè)量的開(kāi)始時(shí)間和停止時(shí)間。通過(guò)啟動(dòng)仿真并觀察啟動(dòng)時(shí)間，可以估計(jì)或獲取啟動(dòng)時(shí)間。在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，停止時(shí)間選擇為 10/freq 或 10 個(gè)周期 - 通過(guò)對(duì)每個(gè)頻率平均超過(guò) 10 個(gè)周期來(lái)減少錯(cuò)誤。

以下是指令：

.param t0=0.2m

.tran 0 {t0+10/freq} {t0} 啟動(dòng)

.step oct 參數(shù)頻率 1K 1M 3

第 4 步：設(shè)置頻率采樣步長(zhǎng)和范圍

.step 命令設(shè)置執(zhí)行分析的頻率分辨率和范圍。在本例中，仿真從 1 kHz 運(yùn)行到 1 MHz，分辨率為每倍頻程三個(gè)點(diǎn)。波特圖測(cè)量精度高達(dá) fSW/2，因此頻率上限應(yīng)設(shè)置為系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率的一半。顯然，更多的點(diǎn)可以提高分辨率，但模擬需要更長(zhǎng)的時(shí)間。每倍頻程三個(gè)點(diǎn)是分辨率的低端，但以最小分辨率運(yùn)行模擬可以節(jié)省一些時(shí)間。然而，從整體設(shè)計(jì)周期圖來(lái)看，5 分鐘的仿真比設(shè)計(jì)、組裝和測(cè)試 PCB 快幾個(gè)數(shù)量級(jí)。考慮到這一點(diǎn)，您可能只想以更高的分辨率運(yùn)行，例如每倍頻程五個(gè)或更多點(diǎn)，以產(chǎn)生更完整且更易于查看的結(jié)果。

第 5 步：運(yùn)行模擬

看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但 LTspice 需要多個(gè)生產(chǎn)步驟來(lái)生成波特圖。第一步是運(yùn)行仿真，它不會(huì)（還）產(chǎn)生繪圖，而是顯示正常的示波器電壓和電流測(cè)量值。按照接下來(lái)的步驟生成波特圖。

第 6 步：生成波特圖

通過(guò)右鍵單擊原理圖窗口并選擇 Plot .step‘ed .meas data 打開(kāi) SPICE 錯(cuò)誤日志。從 Plot Settings Menu 中選擇 Visible Traces 并選擇 Gain 以繪制數(shù)據(jù)。或者，可以通過(guò)單擊文件并選擇將數(shù)據(jù)導(dǎo)出為文本來(lái)導(dǎo)出測(cè)量數(shù)據(jù)，以生成波特?cái)?shù)據(jù)的 CSV 文件。

使用網(wǎng)絡(luò)分析儀確認(rèn)波特圖——超越模擬

控制回路的模擬不如真實(shí)的那樣可靠，不應(yīng)用于完全保證回路穩(wěn)定性和裕度。在設(shè)計(jì)過(guò)程的某個(gè)階段，應(yīng)使用網(wǎng)絡(luò)分析儀工具在實(shí)驗(yàn)室中驗(yàn)證控制回路。

LTspice 中生成的波特圖可以與網(wǎng)絡(luò)分析儀波特圖測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。就像模擬一樣，實(shí)際的環(huán)路測(cè)量是通過(guò)將噪聲注入反饋環(huán)路并測(cè)量和處理 AB 和 AC 增益和相位來(lái)捕獲的。測(cè)量設(shè)置原理圖和照片如圖 5 至圖 7 所示。

圖 5. 使用網(wǎng)絡(luò)分析儀的 LED 驅(qū)動(dòng)器控制環(huán)路波特圖測(cè)量設(shè)置。

圖 6. Venable System 5060A 老式網(wǎng)絡(luò)分析儀，用于 LED 驅(qū)動(dòng)器的高端浮動(dòng)噪聲注入和測(cè)量。

圖 7. LT3950 LED 驅(qū)動(dòng)器上的噪聲注入和測(cè)量點(diǎn)。

圖 8. LT3950 LED 驅(qū)動(dòng)器在 DC2788A 演示電路上的波特圖。通過(guò) LTspice 模擬（藍(lán)線(xiàn)）生成的圖與使用網(wǎng)絡(luò)分析儀（綠線(xiàn)）生成的圖具有很強(qiáng)的相關(guān)性。

表 1. LT3950 LED 驅(qū)動(dòng)器的 LTspice 與網(wǎng)絡(luò)分析儀的波特圖測(cè)量數(shù)據(jù)比較

LTspice 仿真結(jié)果顯示與網(wǎng)絡(luò)分析儀數(shù)據(jù)有很強(qiáng)的相關(guān)性，證明 LTspice 是 LED 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中的一個(gè)有用工具——生成粗略的基線(xiàn)以幫助工程師縮小組件選擇范圍。較低頻率的增益和相位緊跟硬件，較高頻率的仿真和硬件數(shù)據(jù)之間的差異更大。這可能代表了對(duì)高頻極點(diǎn)、零點(diǎn)、寄生電感、電容和等效串聯(lián)電阻進(jìn)行建模的挑戰(zhàn)。

結(jié)論

LTspice 建模可用于測(cè)量控制環(huán)路增益和相位，從而為 LED 驅(qū)動(dòng)器生成波特圖。LTspice 仿真數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性取決于所使用的 SPICE 模型的準(zhǔn)確性，盡管仔細(xì)建模每個(gè)組件以考慮實(shí)際行為是以增加仿真時(shí)間為代價(jià)的。出于 LED 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的目的，即使沒(méi)有完美的組件建模，LTspice 數(shù)據(jù)也可用于相對(duì)快速地縮小組件范圍和預(yù)測(cè)一般電路行為。工作仿真有助于在過(guò)渡到硬件實(shí)現(xiàn)之前指導(dǎo)設(shè)計(jì)工程師，從而節(jié)省整體設(shè)計(jì)時(shí)間。

　　作者：Keith Szolusha ，Brandon Nghe

審核編輯：郭婷