《活學(xué)活用 LTspice 進(jìn)行電路設(shè)計》系列專輯由多篇文章構(gòu)成，涵蓋了 LTspice 的軟件下載、入門指南、具體的設(shè)計仿真攻略等，引領(lǐng)大家在 LTspice 電路仿真設(shè)計中從入門到精通。

在上篇《活學(xué)活用 LTspice 進(jìn)行電路設(shè)計 — 基礎(chǔ)操作流程》中，我們以線性穩(wěn)壓器 IC-T3045 為例，介紹了 LTspice 制作電路圖及仿真的方法。本文將以降壓轉(zhuǎn)換器 LT8640 為例，向大家介紹關(guān)于 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中開關(guān)穩(wěn)壓器的高速仿真功能。

DC-DC 轉(zhuǎn)換器性能評估要素

電源電路設(shè)計中標(biāo)準(zhǔn)的性能評估要素如下：

輸出紋波電壓

轉(zhuǎn)換效率

電源啟動時，檢查輸出電壓過沖情況和浪涌電流

SW 節(jié)點波形、輸出瞬態(tài)響應(yīng)等

在實際器件上檢查以上要素是必不可少的步驟，但在制作電路板之前，通過在桌面上計算并驗證設(shè)計值同樣也非常重要。因此，對電路設(shè)計人員來說，使用 LTspice 代替復(fù)雜的手動計算，能夠方便且輕松地進(jìn)行基本特性的桌面計算。

LTspice 是一個非常有用的軟件工具，不僅可以用于預(yù)先驗證設(shè)計，還可以用于分析實際器件上出現(xiàn)的操作問題。下文將介紹如何用 LTspice 進(jìn)行檢查，重點說明輸出紋波電壓和電源的轉(zhuǎn)換效率兩大要素。

輸出紋波電壓

使用 LT8640 的原理圖

首先我們先對 LT8640 進(jìn)行簡要說明：它是一個同步降壓轉(zhuǎn)換器，其額定電流為 5A，輸入電壓范圍為 3.4V～42V，可輸出范圍為 0.97V～41V。

如下圖 (圖1) 所示：電路配置了輸入電壓 (綠色) 為 12V，輸出電壓 (藍(lán)色) 為 5V 的電路 (左側(cè))，器件的工作頻率設(shè)置為 2MHz。像這樣先用 LTspice 制作電路圖，判斷是否能從輸入電壓產(chǎn)生預(yù)期的輸出電壓就一目了然了。目前看來，紅框內(nèi)的 5V 波形很穩(wěn)定，但此時的紋波電壓是多少呢?

圖1 LT8640原理圖和輸入/輸出波形圖

?如何計算輸出紋波電壓

降壓轉(zhuǎn)換器的輸出紋波電壓可通過下圖 (圖2) 公式估算：

左側(cè)為紋波電壓設(shè)計目標(biāo)值 ΔVout，右側(cè)由輸出電容 Cout、其 ESR 值、電感紋波電流值 ΔIL 和 IC 工作頻率 f 組成。

圖2 波紋計算公式

作為一種設(shè)計方法，對左側(cè)的目標(biāo)值，用右側(cè)的公式估算實際紋波電壓值，并進(jìn)行 Cout 等調(diào)整，直到滿足公式。由于使用的部件存在差異，并且 ΔIL 會根據(jù)輸入電壓的變化而變化，因此存在多種計算模式，需花費一些時間和精力。

如何用 LTspice 顯示輸出紋波波形

通過 LTspice 進(jìn)行以下操作，可以直觀地看到紋波電壓，如下圖 (圖3) 所示：

第一步：將鼠標(biāo)移動到上圖 5V 波形中的紅框處;

第二步：左鍵單擊并拖動要測量的區(qū)域;

圖3 鼠標(biāo)操作圖

重復(fù)步驟二，直到可以清楚地看到幾個周期的波形，如下圖 (圖4) 所示：

圖4 波紋放大圖

若放大波形的垂直范圍不能很好地擬合，左鍵單擊工具欄上 “Autorange” 圖標(biāo)，自動調(diào)整范圍。如下圖 (圖5) 所示：

圖5Autorange 圖標(biāo)

如何檢查準(zhǔn)確的紋波電壓

雖然可以通過上文被放大的波形中讀取大概的紋波電壓值，但為了查看準(zhǔn)確的數(shù)字，需如以下步驟操作：

第一步：左鍵單擊要測量的范圍的一個點，將其拖動到另一點，如下圖 (圖6)所示:

圖6 鼠標(biāo)操作示意圖

第二步：在窗口左下方的狀態(tài)欄中查看 dx 和 dy 測量數(shù)據(jù)。

如下圖 (圖7) 所示，狀態(tài)欄中顯示的 dx=1.985MHz 和 dy=2.95mV 分別表示波形的頻率 (周期) 和幅度從這個結(jié)果可以看出，紋波電壓在電流電路恒定的情況下保持較小數(shù)值，工作頻率約為設(shè)定的 2MHz。

圖7 狀態(tài)欄顯示 dx 和 dy 測量數(shù)據(jù)圖

如果要用的 Cout 的電感 L 和輸入電壓 Vin 發(fā)生變化，在 LTSpice 上更改相關(guān)部分的屬性，然后再次運行仿真檢查 ΔVout 即可。此外，如果您不習(xí)慣鼠標(biāo)操作，可以在波形上添加光標(biāo)進(jìn)行測量。詳情請在菜單欄的“Help”->“Help Topics” 中搜索 “attached cursors”。

電源轉(zhuǎn)換效率

在使用電池的應(yīng)用中，為了延長驅(qū)動時間，往往需要高效率運行。因而，在啟動實際器件前，需要先核對 IC 廠商的評估板的 IC 能力，但這需要花費時間，而且有可能出現(xiàn)評估板不可用，或者評估板不滿足使用規(guī)格的情況。下文將介紹如何估算和模擬電源的轉(zhuǎn)換效率。

實測時的效率計算

以上述電路為例，這部分將介紹 LTspice 的自動計算效率方法。通過測量輸入 / 輸出電壓和電流，并將數(shù)據(jù)代入以下公式來計算DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率：

η=Vout*Iout/ (Vin*Iin)*100%

Vout 和 Iout 為輸出電壓和輸出電流、Vin 和 Iin 為輸入電壓和輸入電流。

用 LTspice 進(jìn)行自動計算

在 LTspice 中，在計算 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的效率時，電路的輸入電壓源被視為輸入功率 (Vin * Iin)，而輸出電流源或 Rload 中指定的電阻是輸出功率 (Vout * Iout)。LTspice 自動檢測電路的穩(wěn)態(tài)，使用穩(wěn)態(tài)約 10 個周期的數(shù)據(jù)計算功率損耗等，并自動計算電路的轉(zhuǎn)換效率。

看似復(fù)雜，按以下操作將穩(wěn)態(tài)檢測設(shè)置添加到正常時域 .tran 分析設(shè)置中即可：

第一步：打開菜單欄 “Simulate” 下的 “Edit simulation cmd”，勾選 “Stop simulating if steady state is detected” 復(fù)選框，再次運行仿真，如下圖(圖8、圖9)所示：

圖8 菜單欄中選擇 “Simulate”

圖9 打開 Edit simulation cmd

第二步：該模擬的完成狀態(tài)與通常的 .tran 分析不同，在輸出電壓擴大的狀態(tài)下停止，如下圖 (圖10) 所示：

圖10 模擬完成時

如何讀取計算結(jié)果

使用鼠標(biāo)在菜單欄 “View” → “Efficiency Report” 中選擇 “Show on schematic”，計算結(jié)果顯示在原理圖底部。

如下圖 (圖11) 所示：

圖11 查看效率報告

如下圖 (圖12) 效率報告所示，LTspice 不僅計算了效率的最終結(jié)果，還計算了包括 IC 在內(nèi)的每個外圍組件的消耗量。當(dāng)我們想要提高效率的時候，它能夠提示應(yīng)該進(jìn)一步減少哪些組件的損耗。

此外，以 LT8640 為例，當(dāng)輸入電路是 12V，輸出電路是 5V 時，在 1A 負(fù)載下的效率為 96.8%。出現(xiàn)這樣結(jié)果的原因與 LTspice 中電路的常數(shù) (包括外圍組件的屬性) 有關(guān)，即電路條件越接近實際電路，仿真結(jié)果就越精準(zhǔn)。

圖12 效率報告

總結(jié)

LTspice 的競爭力在于可以通過如上所述的簡單操作，輕松檢查 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的特性。另外，由于外設(shè)常數(shù)的參數(shù)易變，因此 LTspice 非常便于制作電路板前檢查特性，同時優(yōu)化外設(shè)常數(shù)。

審核編輯：湯梓紅