作者：Keith Szolusha and Brandon Nghe

閉環(huán)增益和相位圖是用于確定穩(wěn)定性的常用工具 開關(guān)穩(wěn)壓器中的控制回路。增益和相位測量，當 如果做得好，需要訪問并熟悉花哨的網(wǎng)絡(luò)分析儀。這 測量包括斷開控制環(huán)路、注入噪聲和測量 頻率掃描過程中產(chǎn)生的增益和相位（見圖1）。這種做法 測量控制環(huán)路很少應(yīng)用于LED驅(qū)動器。

LED驅(qū)動器控制環(huán)路相位和增益測量需要不同的方法 （參見圖1）—與典型電阻分壓器路徑至GND電壓的偏差 調(diào)節(jié)器注入和測量點。在這兩種情況下，臺式控制回路 相位和增益測量是保證穩(wěn)定性的最佳方法，但不是 每個工程師都觸手可及所需的設(shè)備并訪問 經(jīng)驗豐富的工廠應(yīng)用程序團隊。這些工程師是做什么的？

一種選擇是構(gòu)建LED驅(qū)動器，看看它如何響應(yīng)瞬變。短暫的 響應(yīng)觀察需要應(yīng)用板和更常見的臺式 設(shè)備。瞬態(tài)分析的結(jié)果缺乏波特圖基于頻率的 增益和相數(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)定性和速度的指示。

大信號瞬變可用于檢查絕對偏差和系統(tǒng) 響應(yīng)時間。瞬態(tài)擾動的形狀表示相位 或增益裕量，因此可用于了解一般環(huán)路穩(wěn)定性。為 例如，臨界阻尼響應(yīng)可能表示相位裕量為 45° 至 60°。 或者，瞬態(tài)期間的大尖峰可能表明需要更多的 COUT 或 af aster 環(huán)路。較長的建立時間可能表明需要加快帶寬 （和交越頻率）的環(huán)路。這些相對容易的系統(tǒng)檢查 實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓器控制環(huán)路的動態(tài)檢定，但 更深入的分析需要增益和相位波特圖。

LTspice仿真可用于生成兩個開關(guān)穩(wěn)壓器輸出 組裝或制造電路之前的瞬態(tài)和波特圖。這可以 幫助大致了解控制環(huán)路穩(wěn)定性 - 補償元件選擇和輸出電容尺寸的起點。使用LTspice的過程 基于米德爾布魯克在 1975 年的原始建議是有據(jù)可查的（見 “LTspice：生成SMPS波特圖的基本步驟”）。?1Middlebrook方法中列出的實際信號注入位置現(xiàn)在并不常用。 但經(jīng)過多年的調(diào)整，導致常用注射 位置如圖1a所示。

此外，LED驅(qū)動器，具有高邊檢測電阻和復雜的交流電 電阻LED負載，應(yīng)該具有與今天不同的注入點 反饋路徑中的注入點或米德爾布魯克的原始建議， 一個以前在LTspice中沒有證明過。這里介紹的方法顯示 如何生成LED驅(qū)動器電流檢測反饋環(huán)路 LTspice中的波特圖， 在實驗室里。

生成控制環(huán)路波特圖

標準開關(guān)穩(wěn)壓器控制環(huán)路波特圖產(chǎn)生三個關(guān)鍵測量值，可用于確定穩(wěn)定性和速度：

相位裕量

交越頻率（帶寬）

獲得保證金

人們普遍認為，需要 45° 至 60° 的相位裕量才能穩(wěn)定 系統(tǒng)，并且需要–10 dB增益裕量才能保證環(huán)路穩(wěn)定性。交越頻率與一般環(huán)路速度有關(guān)。圖 1 顯示了設(shè)置 用于使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進行這些測量。

圖1.使用網(wǎng)絡(luò)分析儀對 （a） 穩(wěn)壓器和 （b） LED 驅(qū)動器進行開關(guān)穩(wěn)壓器控制環(huán)路波特圖測量。為了進行測量，控制環(huán)路斷開，正弦擾動推入高阻抗路徑，同時測量由此產(chǎn)生的控制環(huán)路增益和相位，使設(shè)計人員能夠量化環(huán)路的穩(wěn)定性。

LTspice仿真可用于在 LED 的控制回路。圖 2 示出了具有理想 給定頻率（F）的正弦波直接注入反饋路徑 負檢測線 （ISN）。測量點 A、B 和 C 用于計算 注入頻率（f）處的增益（dB）和相位（°）。為了繪制圖表 在整個控制環(huán)路波特圖中，必須在 大頻率掃描，停在fSW/2（開關(guān)頻率的一半 轉(zhuǎn)換器）。

圖2.LT3950 DC2788A 演示電路 LED 驅(qū)動器 LTspice 型號，具有控制環(huán)路噪聲注入和測量點。

圖2中A、B和C點的測量決定了增益和相位 注射頻率（f）的控制回路。不同的注射頻率 產(chǎn)生不同的增益和相位。為簡單起見，并了解其工作原理，可以 設(shè)置注入頻率并測量A-C和B-C的增益和相位。這 產(chǎn)生控制環(huán)路波特圖的單個頻率點。圖 3a 和 3b 顯示10 kHz±10 mV AC注入的增益和相位。圖 3c 和 3d 顯示 增益和相位為 40 kHz±10 mV 交流注入。

頻率掃描以及增益和相位測量 B-C 和 A-C 構(gòu)成了整個閉環(huán)波特圖。如中所述 摘要，這通常是在工作臺上使用花式（即， 昂貴）網(wǎng)絡(luò)分析儀。在LTspice中也可以進行這樣的掃描，如圖所示。 在圖 4 中。這些結(jié)果通過與 使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進行臺式測試（見圖8）。

圖3.圖2中A、B和C點的測量決定了注入頻率（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構(gòu)成了閉環(huán)波特圖。

圖4.LT3950 在 LTspice 中進行的波特圖測量顯示增益 （實線） 和相位 （虛線）。

在LTspice中進行全增益和相位掃描以及繪圖

要在LTspice中為控制環(huán)路創(chuàng)建完整的波特圖，即增益和相位的圖形掃描，請執(zhí)行以下步驟。

步驟 1：創(chuàng)建 AC 注入源

在LTspice中，插入±10 mV AC注入電壓源和注入電阻以及標簽節(jié)點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。用戶可以在1 mV至20 mV之間使用峰值正弦值。請記住，許多LED驅(qū)動器的檢測電壓為250 mV和100 mV。較高的注入噪聲會產(chǎn)生LED電流調(diào)節(jié)誤差。

第 2 步：添加數(shù)學運算

在原理圖上插入 .measure 語句作為 .sp （SPICE） 指令。這些指令執(zhí)行傅里葉變換，并以dB和相位計算LED驅(qū)動器的復雜開環(huán)增益和相位。

以下是指令：

.measure Aavg avg avg V（a）-V（c）

.measure Bavg avg v（b）-V（c）

.measure Are 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 param 20*log10（hypot（Are，Aim） / hypot（Bre，Bim））

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

第 3 步：設(shè)置測量參數(shù)

還需要一些小指令。首先，電路必須處于穩(wěn)定狀態(tài) 的模擬（過去啟動），以便進行適當?shù)臏y量。調(diào)整 t0，或測量的開始時間和停止時間。開始時間可以是 通過啟動模擬和觀察啟動來估計或獲得 時間。在穩(wěn)定狀態(tài)為 已達到 — 通過對每個頻率平均超過 10 個周期來減少誤差。

以下是指令：

.param t0=0.2m

.tran 0 {t0+10/freq} {t0} startup

.step oct param freq 1K 1M 3

步驟 4：設(shè)置頻率采樣步長和范圍

.step 命令設(shè)置執(zhí)行分析的頻率分辨率和范圍。在本例中，仿真運行范圍為 1 kHz 至 1 MHz，使用 每倍頻程三分的分辨率。波特圖測量值準確 最高為fSW/2，因此頻率上限應(yīng)設(shè)置為開關(guān)的一半 系統(tǒng)的頻率。顯然，更多的點可以提高分辨率，但是 模擬需要更長的時間。每倍頻程三分是分辨率的低端，但 以最低分辨率運行仿真可以節(jié)省一些時間。不過 從整體設(shè)計周期來看，5 分鐘的模擬是 比設(shè)計、組裝和測試 PCB 快得多。有了這個 請注意，您可能只想以更高的分辨率運行，例如五個或更多點 每個八度，以產(chǎn)生更完整、更易于查看的結(jié)果。

步驟 5：運行模擬

這看起來很簡單，但LTspice需要多個生產(chǎn)步驟來 生成波特圖。第一步是運行模擬，這不會產(chǎn)生 （尚未）圖，而是顯示正常的示波器電壓和電流測量值。 按照后續(xù)步驟生成波特圖。

步驟 6：生成波特圖

打開 SPICE 錯誤日志，方法是右鍵單擊原理圖窗口并選擇繪制 .step'ed .meas 數(shù)據(jù)。從“打印設(shè)置”菜單中選擇“可見跡線”，然后選擇“增益”以繪制數(shù)據(jù)。可選地，可以導出測量數(shù)據(jù) 通過單擊文件并選擇將數(shù)據(jù)導出為文本以生成 CSV 文件 波特數(shù)據(jù)。

使用網(wǎng)絡(luò)分析儀確認波特圖 — 超越仿真

控制回路的模擬不如真實的東西可靠，不應(yīng)該 用于完全保證循環(huán)穩(wěn)定性和裕量。在某個階段 設(shè)計過程中，控制回路應(yīng)在實驗室中使用網(wǎng)絡(luò)進行驗證 分析器工具。

LTspice中生成的波特圖可以與網(wǎng)絡(luò)分析儀波特進行比較 繪制測量結(jié)果。就像仿真一樣，通過將噪聲注入反饋回路并測量和 處理 A-B 和 A-C 增益和相位。測量設(shè)置示意圖 和照片如圖 5 到圖 7 所示。

圖5.使用網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置LED驅(qū)動器控制回路波特圖測量。

圖6.Venable 系統(tǒng) 5060A 型老式網(wǎng)絡(luò)分析儀，用于 LED 驅(qū)動器的高邊浮動噪聲注入和測量。

圖7.LT3950 LED 驅(qū)動器上的噪聲注入和測量點。

圖8.DC2788A 演示電路上 LT3950 LED 驅(qū)動器的波特圖。通過LTspice仿真生成的圖（藍線）與使用網(wǎng)絡(luò)分析儀生成的圖（綠線）具有很強的相關(guān)性。

LTspice仿真結(jié)果表明與網(wǎng)絡(luò)分析儀數(shù)據(jù)具有很強的相關(guān)性， 證明LTspice是LED驅(qū)動器設(shè)計中的有用工具——產(chǎn)生粗糙的 基線，以幫助工程師縮小組件選擇范圍。這 較低頻率下的增益和相位緊隨硬件，較高頻率下的仿真和硬件數(shù)據(jù)之間的差異更大。這可能會 代表高頻極點、零點、寄生建模的挑戰(zhàn) 電感、電容和等效串聯(lián)電阻。

結(jié)論

LTspice建模可用于測量控制環(huán)路增益和相位，因此 為 LED 驅(qū)動器生成波特圖。LTspice仿真的精度 數(shù)據(jù)取決于所使用的SPICE模型的準確性，盡管要小心 對每個組件進行建模以解釋實際行為是有代價的 增加的模擬時間。出于LED驅(qū)動器設(shè)計的目的，LTspice數(shù)據(jù) 對于相對快速地縮小組件范圍和預測很有用 即使沒有完美的組件建模，也能實現(xiàn)一般電路行為。一個工作 仿真有助于在過渡到硬件之前指導設(shè)計工程師 實施，節(jié)省整體設(shè)計時間。一次粗略的組件選擇 已經(jīng)完成，使用帶有網(wǎng)絡(luò)分析儀的內(nèi)置板進行測量可以 確認或?qū)Ρ确抡娼Y(jié)果，作為硬件驗證的一種手段 在開發(fā)過程中。

審核編輯：郭婷