活学活用 LTspice 进行电路设计 — DC-DC 转换器仿真

《活学活用 LTspice 进行电路设计》系列专辑由多篇文章构成，涵盖了 LTspice 的软件下载、入门指南、具体的设计仿真攻略等，引领大家在 LTspice 电路仿真设计中从入门到精通。

在上篇《活学活用 LTspice 进行电路设计 — 基础操作流程》中，我们以线性稳压器 IC-T3045 为例，介绍了 LTspice 制作电路图及仿真的方法。本文将以降压转换器 LT8640 为例，向大家介绍关于 DC-DC 转换器中开关稳压器的高速仿真功能。

电源电路设计中标准的性能评估要素如下：

• 输出纹波电压
• 转换效率
• 电源启动时，检查输出电压过冲情况和浪涌电流
• SW 节点波形、输出瞬态响应等

在实际器件上检查以上要素是必不可少的步骤，但在制作电路板之前，通过在桌面上计算并验证设计值同样也非常重要。因此，对电路设计人员来说，使用 LTspice 代替复杂的手动计算，能够方便且轻松地进行基本特性的桌面计算。

LTspice 是一个非常有用的软件工具，不仅可以用于预先验证设计，还可以用于分析实际器件上出现的操作问题。下文将介绍如何用 LTspice 进行检查，重点说明输出纹波电压和电源的转换效率两大要素。

首先我们先对 LT8640 进行简要说明：它是一个同步降压转换器，其额定电流为 5A，输入电压范围为 3.4V～42V，可输出范围为 0.97V～41V。

如下图 (图1) 所示：电路配置了输入电压 (绿色) 为 12V，输出电压 (蓝色) 为 5V 的电路 (左侧)，器件的工作频率设置为 2MHz。像这样先用 LTspice 制作电路图，判断是否能从输入电压产生预期的输出电压就一目了然了。目前看来，红框内的 5V 波形很稳定，但此时的纹波电压是多少呢？

降压转换器的输出纹波电压可通过下图 (图2) 公式估算：

左侧为纹波电压设计目标值 ΔVout，右侧由输出电容 Cout、其 ESR 值、电感纹波电流值 ΔIL 和 IC 工作频率 f 组成。

作为一种设计方法，对左侧的目标值，用右侧的公式估算实际纹波电压值，并进行 Cout 等调整，直到满足公式。 由于使用的部件存在差异，并且 ΔIL 会根据输入电压的变化而变化，因此存在多种计算模式，需花费一些时间和精力。

通过 LTspice 进行以下操作，可以直观地看到纹波电压，如下图 (图3) 所示：

第一步：将鼠标移动到上图 5V 波形中的红框处；

第二步：左键单击并拖动要测量的区域；

重复步骤二，直到可以清楚地看到几个周期的波形，如下图 (图4) 所示：

若放大波形的垂直范围不能很好地拟合，左键单击工具栏上 “Autorange” 图标，自动调整范围。如下图 (图5) 所示：

虽然可以通过上文被放大的波形中读取大概的纹波电压值，但为了查看准确的数字，需如以下步骤操作：

第一步：左键单击要测量的范围的一个点，将其拖动到另一点，如下图 (图6)所示：

第二步：在窗口左下方的状态栏中查看 dx 和 dy 测量数据。

如下图 (图7) 所示，状态栏中显示的 dx=1.985MHz 和 dy=2.95mV 分别表示波形的频率 (周期) 和幅度。 从这个结果可以看出，纹波电压在电流电路恒定的情况下保持较小数值，工作频率约为设定的 2MHz。

如果要用的 Cout 的电感 L 和输入电压 Vin 发生变化，在 LTSpice 上更改相关部分的属性，然后再次运行仿真检查 ΔVout 即可。此外，如果您不习惯鼠标操作，可以在波形上添加光标进行测量。详情请在菜单栏的“Help”->“Help Topics” 中搜索 “attached cursors”。

在使用电池的应用中，为了延长驱动时间，往往需要高效率运行。因而，在启动实际器件前，需要先核对 IC 厂商的评估板的 IC 能力，但这需要花费时间，而且有可能出现评估板不可用，或者评估版不满足使用规格的情况。下文将介绍如何估算和模拟电源的转换效率。

以上述电路为例，这部分将介绍 LTspice 的自动计算效率方法。通过测量输入 / 输出电压和电流，并将数据代入以下公式来计算DC-DC转换器的效率：

η＝Vout＊Iout/ (Vin＊Iin)＊100%

Vout 和 Iout 为输出电压和输出电流、Vin 和 Iin 为输入电压和输入电流。

在 LTspice 中，在计算 DC-DC 转换器的效率时，电路的输入电压源被视为输入功率 (Vin * Iin)，而输出电流源或 Rload 中指定的电阻是输出功率 (Vout * Iout)。LTspice 自动检测电路的稳态，使用稳态约 10 个周期的数据计算功率损耗等，并自动计算电路的转换效率。

看似复杂，按以下操作将稳态检测设置添加到正常时域 .tran 分析设置中即可：

第一步：打开菜单栏 “Simulate” 下的 “Edit simulation cｍd”，勾选 “Stop simulating if steady state is detected” 复选框，再次运行仿真，如下图(图8、图9)所示： 

第二步：该模拟的完成状态与通常的 .tran 分析不同，在输出电压扩大的状态下停止，如下图 (图10) 所示：

使用鼠标在菜单栏 “View” → “Efficiency Report” 中选择 “Show on schematic”，计算结果显示在原理图底部。
如下图 (图11) 所示：

如下图 (图12) 效率报告所示，LTspice 不仅计算了效率的最终结果，还计算了包括 IC 在内的每个外围组件的消耗量。当我们想要提高效率的时候，它能够提示应该进一步减少哪些组件的损耗。

此外，以 LT8640 为例，当输入电路是 12V，输出电路是 5V 时，在 1A 负载下的效率为 96.8%。出现这样结果的原因与 LTspice 中电路的常数 (包括外围组件的属性) 有关，即电路条件越接近实际电路，仿真结果就越精准。

LTspice 的竞争力在于可以通过如上所述的简单操作，轻松检查 DC-DC 转换器的特性。另外，由于外设常数的参数易变，因此 LTspice 非常便于制作电路板前检查特性，同时优化外设常数。欲了解更多技术细节和 LTspice 相关操作，您可以点击下方「联系我们」，提交您的需求，我们骏龙科技公司愿意为您提供更详细的技术解答。

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