LTspice:生成 SMPS 之博德圖的基本步驟
如何確定閉環(huán)開關(guān)模式電源 (SMPS) 的開環(huán)增益呢? 針對該問題,最好的解決方案是運用 Middlebrook 的方法,其首見于《International Journal of Electronics》第 38 卷第 4 期 (1975 年) 上。這種方法將測試信號注入閉環(huán)系統(tǒng)中以獨立地求解電壓和電流增益,從而可保持環(huán)路的封閉并且不會干擾操作點。在采用 LTspice IV 來實施 SMPS 的頻率響應分析 (FRA) 的過程中,運用 Middlebrook 法的電壓增益部分是特別有效的。
如欲采用 LTspice 來完成開關(guān)模式電源的 FRA,則:
在與反饋引腳相串聯(lián)的 SMPS 反饋環(huán)路中插入一個數(shù)值 = “SINE(0 1m {Freq})”,并如圖所示給該電壓源的節(jié)點加上 “A” 和 “B” 標簽。幅度的選擇 (1mV) 將影響準確度和信噪比。幅度的降低將導致信噪比下降,而幅度越大則頻率響應的相關(guān)性越小。上佳的幅度起點是 1mV 至 20mV。

插入電壓源
把下面的 .measure 語句作為 SPICE 指令粘貼在原理圖上。這些語句用于執(zhí)行節(jié)點 A 和 B 的傅里葉變換、計算 SMPS 的復數(shù)開環(huán)增益以及最終形成的幅度 (單位:dB) 和相位 (單位:°)。
.measure Aavg avg V(a)
.measure Bavg avg V(b)
.measure Are avg (V(a)-Aavg)*cos(360*time*Freq)
.measure Aim avg -(V(a)-Aavg)*sin(360*time*Freq)
.measure Bre avg (V(b)-Bavg)*cos(360*time*Freq)
.measure Bim avg -(V(b)-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
把下面的 SPICE 指令粘貼在原理圖上。參數(shù) t0 是系統(tǒng)穩(wěn)定至穩(wěn)態(tài)所需的時間長度,并且設定了仿真器開始保存數(shù)據(jù)的時間點。在該場合中起動和停止次數(shù)之間的差異被選擇為 25/freq,因而源自非整數(shù)型開關(guān)周期數(shù)的誤差將很小,因為包括了許多周期。
.param t0=.2m
.tran 0 {t0+25/freq} {t0}
插入一個 .step 命令以設定希望進行分析的頻率范圍。在該例中,仿真在 50kHz 至 200kHz 的頻率范圍內(nèi)運行 (每倍頻程采用 5 個點)。提示:在逐步通過整個頻率范圍之前,可在幾個頻率 (例如:插入 “.param Freq = 125K”) 上進行測試并觀察 V(A) 和 V(B) 以確定電壓源具備足夠的幅度,而且在可能的情況下可收緊頻率范圍以盡量縮短仿真時間。包括了 .options 和 .save 語句以改善精度,并最大限度地減少測量的次數(shù)。
.step oct param freq 5K 500K 5
.save V(a) V(b)
.option plotwinsize=0 numdgt=15
運行仿真 (觀察左下角以了解狀態(tài)更新)。
如欲查看博德圖,則打開 SPICE 錯誤記錄 (從 View 菜單選擇 SPICE Error Log) 并在記錄上單擊右鍵以選擇 “Plot .step’ed .meas data”。從 Plot Settings 菜單選擇 Visible Traces。選擇增益。依據(jù)該曲線圖您隨后就能確定 SMPS 設計的交叉頻率和相位裕量。
博德圖
更多的示例和文檔可在教學例子 (..\LTspiceIV\examples\Educational\FRA\) 和 “幫助主題” (Help Topics) 的 “常見問答” (FAQ) 部分中找到 (撳按 F1)。
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