仿真神器LTspice的电路设计技巧

科技   2024-11-24 08:13   广东  
LTspice 是一款功能强大、简单明了的免费软件 SPICE 仿真工具,在行业中得到广泛应用,在一众工具平台中,堪称神器级别的存在。
本文列出了LTspice的典型电源电路设计用例,并提供了LTspice使用的实用技巧。对模拟器的这种解释可以帮助工程师避免大量的手动计算,并减少开发时间和成本。 
电源电路设计流程
电源电路设计通常是一项繁琐的任务,涉及以下步骤:
  • 写下关键规格 (电压范围、温度范围、最大电流、保护电路、变化的负载条件、最大尺寸等)。
  • 选择系统或电路的基本体系结构。
  • 预测系统各部分所需的参数。
  • 找到最适合所选体系结构的组件。
  • 设计原理图。
  • 预测设计电路的工作条件,并检查它们是否符合关键规格。
  • 建立一个原型。
  • 测试原型并确认已达到预测参数并满足关键规格。
  • 如果不符合关键规格,请进行所需的更正 (从步骤4重新开始)。

步骤4到8可能特别耗时。有时项目没有按预期进行,开发时间延长,设计人员可能会受到压力,要求尽快完成项目。
当来自测试原型 (步骤8) 的结果与在步骤6期间预测的结果不同时,产生这种不期望的情况。这经常发生,因为基于数据表参数的精确性能的计算是不可能的。
这就是为什么现代模拟电路设计 (和电源电路设计) 广泛使用仿真工具的原因,这些仿真工具可以基于组件,电源,噪声源等的互连模型来预测系统行为。这些工具可以产生与原型观察到的结果非常接近的结果。 
LTspice是一种功能强大且广泛使用的SPICE仿真应用。它由Analog Devices 免费提供。

图1. 


为何使用LTspice进行电源电路设计?

从单组件仿真到全系统仿真,LTspice的灵活性使其可以用于各种仿真。

对于电源电路设计,LTspice可以帮助:

  • 加速设计和验证: 在几秒钟或几分钟内就可以模拟电路,避免大量的手动计算,因此可以快速迭代反复试验过程,直到达到所需的结果。

  • 比较组件: 更改组件并启动新的模拟是一项简单的任务,而在真实的原型上进行相同的操作则需要一些时间。通过仿真选择正确的组件可以带来很大的好处。

  • 在没有损坏风险的情况下检查电路: 在测试电源电路时可能会发生损坏,并且维修可能非常耗时。在原型测试之前模拟电路可以在任何损坏之前突出问题。 

  • 易于测量: 在电路仿真中放置电压或电流探头并查看波形既容易又直接,而在现实电路中却不这样做。

  • 模拟理想条件: 理论思想和现实世界实现之间的不同结果可能会令人困惑。借助LTSpice模拟器,可以使用理想的组件 (即理想二极管,无损耗电感器等),并检查其在理想条件下的工作方式。 


  • 上面的列表可以扩展,因为使用LTspice等仿真工具有很多原因。

  • 现在,我们将讨论使用LTspice进行电源电路设计的实用技巧。


技巧1.如何生成效率报告

使用时域分析 (.TRAN指令),对于单输入/单输出电路,它可以自动生成效率报告。该报告以表格的形式出现,其中包含: 输入功率、输出功率、效率计算、电流和电路每个组件的功率。

启动后瞬态仿真,一旦电路达到稳态条件,就会计算参数。 

 图2。


以下是生成效率报告的步骤:

  • 绘制原理图,包括一个电压源(假设为输入)和一个名为 Rload 的负载(假设为负载)。
  • 右键单击 “.TRAN“ 指令,然后选择”如果检测到稳态,则停止模拟”。“steady” 参数显示在 “.TRAN“指令。
  • 运行模拟。
  • 从菜单栏中,单击 View > Efficiency Report > Show in Schematic。报告将出现在原理图中。

技巧2.如何模拟变化的负载

电源电路通常承受不同的负载,因此检查不同负载条件下的电路非常重要。

在LTspice中,这是通过使用 “.STEP” 指令来完成的,该指令将自动重新启动仿真,同时每次更改全局变量的值。如果该变量与负载电流相关联,则针对不同的负载值重复模拟。

 图3.

下面是模拟上述电路中负载变化的步骤:

  • 将电流源作为负载 (I1) 并将其值设置为 {Iload}。current 的值是一个可以更改的全局变量,而不是一个固定的数值。

  • 添加 “.STEP“指令,如图 3 所示。它将使模拟器重复模拟,同时每次以 0.25 的步长将可变负载从 0.25 更改为 1。换句话说,将在 0.25A、0.5A、0.75A、1A 的输出负载下进行模拟。

  • 运行模拟。

  • 将电压探头放在一个节点(即输出电压)上。绘图窗格将为每个仿真步骤显示具有不同颜色的电压波形,在本例中为每个负载值。


技巧3.如何自动计算参数

在模拟电路时,可能需要计算输入功率或输出功率等重要参数。LTspice可以通过自动执行这些计算为您节省一些时间。 

当执行多个仿真步骤时,该特征可能特别有用,因为仿真器将自动计算每个仿真步骤的请求参数。

 图4。 

在上面的模拟中,我们添加了三个 “.MEAS” 指令来自动计算:

  • pin:输入功率是输入电压和 电流的乘积;

  • pout:输出功率为输出电压和电流的乘积;

  • EFF:根据定义计算为 POUT/PIN 比率的效率。


在模拟运行结束时,按CTRL + L打开包含计算参数的仿真日志,如图5所示。 

 图5。 

在日志中,LTspice为每个仿真步骤计算了三个参数。这种技术可以为设计师节省大量时间。 

注意,在步骤3中,对于负载电流1A,计算的值与在tip1中生成的效率报告中已经提供的值相同。

技巧4..绘制每次模拟运行的计算参数 

在自动计算参数之后,绘制它们以检查它们如何随着每个模拟步骤而变化可能是有用的。该特征的典型用途是绘制针对不同负载值的开关转换器的仿真效率。

图6。 

如何生成效率与负载电流图使用Tip 4的模拟和结果。 

  • 右键单击存在计算数据的错误日志。

  • 选择“Plot .step'ed .meas data”,将打开一个空白图。

  • 右键单击空白图,然后选择“Add Trace””(或使用CTRL + A)。

  • 选择eff作为参数,将生成上面显示的图。



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