如何使用LTspice为LED驱动器生成波特图

作者：Keith Szolusha and Brandon Nghe

闭环增益和相位图是用于确定稳定性的常用工具 开关稳压器中的控制回路。增益和相位测量，当 如果做得好，需要访问并熟悉花哨的网络分析仪。这 测量包括断开控制环路、注入噪声和测量 频率扫描过程中产生的增益和相位（见图1）。这种做法 测量控制环路很少应用于LED驱动器。

LED驱动器控制环路相位和增益测量需要不同的方法 （参见图1）—与典型电阻分压器路径至GND电压的偏差 调节器注入和测量点。在这两种情况下，台式控制回路 相位和增益测量是保证稳定性的最佳方法，但不是 每个工程师都触手可及所需的设备并访问 经验丰富的工厂应用程序团队。这些工程师是做什么的？

一种选择是构建LED驱动器，看看它如何响应瞬变。短暂的 响应观察需要应用板和更常见的台式 设备。瞬态分析的结果缺乏波特图基于频率的 增益和相数（可用于保证稳定性）但它们可以 作为一般控制回路稳定性和速度的指示。

大信号瞬变可用于检查绝对偏差和系统 响应时间。瞬态扰动的形状表示相位 或增益裕量，因此可用于了解一般环路稳定性。为 例如，临界阻尼响应可能表示相位裕量为 45° 至 60°。 或者，瞬态期间的大尖峰可能表明需要更多的 COUT 或 af aster 环路。较长的建立时间可能表明需要加快带宽 （和交越频率）的环路。这些相对容易的系统检查 实现开关稳压器控制环路的动态检定，但 更深入的分析需要增益和相位波特图。

LTspice仿真可用于生成两个开关稳压器输出 组装或制造电路之前的瞬态和波特图。这可以 帮助大致了解控制环路稳定性 - 补偿元件选择和输出电容尺寸的起点。使用LTspice的过程 基于米德尔布鲁克在 1975 年的原始建议是有据可查的（见 “LTspice：生成SMPS波特图的基本步骤”）。®1Middlebrook方法中列出的实际信号注入位置现在并不常用。 但经过多年的调整，导致常用注射 位置如图1a所示。

此外，LED驱动器，具有高边检测电阻和复杂的交流电 电阻LED负载，应该具有与今天不同的注入点 反馈路径中的注入点或米德尔布鲁克的原始建议， 一个以前在LTspice中没有证明过。这里介绍的方法显示 如何生成LED驱动器电流检测反馈环路 LTspice中的波特图， 在实验室里。

生成控制环路波特图

标准开关稳压器控制环路波特图产生三个关键测量值，可用于确定稳定性和速度：

相位裕量

交越频率（带宽）

获得保证金

人们普遍认为，需要 45° 至 60° 的相位裕量才能稳定 系统，并且需要–10 dB增益裕量才能保证环路稳定性。交越频率与一般环路速度有关。图 1 显示了设置 用于使用网络分析仪进行这些测量。

图1.使用网络分析仪对 （a） 稳压器和 （b） LED 驱动器进行开关稳压器控制环路波特图测量。为了进行测量，控制环路断开，正弦扰动推入高阻抗路径，同时测量由此产生的控制环路增益和相位，使设计人员能够量化环路的稳定性。

LTspice仿真可用于在 LED 的控制回路。图 2 示出了具有理想 给定频率（F）的正弦波直接注入反馈路径 负检测线 （ISN）。测量点 A、B 和 C 用于计算 注入频率（f）处的增益（dB）和相位（°）。为了绘制图表 在整个控制环路波特图中，必须在 大频率扫描，停在fSW/2（开关频率的一半 转换器）。

图2.LT3950 DC2788A 演示电路 LED 驱动器 LTspice 型号，具有控制环路噪声注入和测量点。

图2中A、B和C点的测量决定了增益和相位 注射频率（f）的控制回路。不同的注射频率 产生不同的增益和相位。为简单起见，并了解其工作原理，可以 设置注入频率并测量A-C和B-C的增益和相位。这 产生控制环路波特图的单个频率点。图 3a 和 3b 显示10 kHz±10 mV AC注入的增益和相位。图 3c 和 3d 显示 增益和相位为 40 kHz±10 mV 交流注入。

频率扫描以及增益和相位测量 B-C 和 A-C 构成了整个闭环波特图。如中所述 摘要，这通常是在工作台上使用花式（即， 昂贵）网络分析仪。在LTspice中也可以进行这样的扫描，如图所示。 在图 4 中。这些结果通过与 使用网络分析仪进行台式测试（见图8）。

图3.图2中A、B和C点的测量决定了注入频率（f）下控制环路的增益和相位。不同的注入频率产生不同的增益和相位。图3a和3b显示了10 kHz±10 mV AC注入的增益和相位。图3c和3d显示了40 kHz±10 mV AC注入的增益和相位。频率扫描以及B-C和A-C之间的增益和相位测量构成了闭环波特图。

图4.LT3950 在 LTspice 中进行的波特图测量显示增益 （实线） 和相位 （虚线）。

在LTspice中进行全增益和相位扫描以及绘图

要在LTspice中为控制环路创建完整的波特图，即增益和相位的图形扫描，请执行以下步骤。

步骤 1：创建 AC 注入源

在LTspice中，插入±10 mV AC注入电压源和注入电阻以及标签节点A、B和C，如图2所示。交流电压源值SINE（0 10m {Freq}）设置10 mV峰值并扫描频率。用户可以在1 mV至20 mV之间使用峰值正弦值。请记住，许多LED驱动器的检测电压为250 mV和100 mV。较高的注入噪声会产生LED电流调节误差。

第 2 步：添加数学运算

在原理图上插入 .measure 语句作为 .sp （SPICE） 指令。这些指令执行傅里叶变换，并以dB和相位计算LED驱动器的复杂开环增益和相位。

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：设置测量参数

还需要一些小指令。首先，电路必须处于稳定状态 的模拟（过去启动），以便进行适当的测量。调整 t0，或测量的开始时间和停止时间。开始时间可以是 通过启动模拟和观察启动来估计或获得 时间。在稳定状态为 已达到 — 通过对每个频率平均超过 10 个周期来减少误差。

以下是指令：

.param t0=0.2m

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

.step oct param freq 1K 1M 3

步骤 4：设置频率采样步长和范围

.step 命令设置执行分析的频率分辨率和范围。在本例中，仿真运行范围为 1 kHz 至 1 MHz，使用 每倍频程三分的分辨率。波特图测量值准确 最高为fSW/2，因此频率上限应设置为开关的一半 系统的频率。显然，更多的点可以提高分辨率，但是 模拟需要更长的时间。每倍频程三分是分辨率的低端，但 以最低分辨率运行仿真可以节省一些时间。不过 从整体设计周期来看，5 分钟的模拟是 比设计、组装和测试 PCB 快得多。有了这个 请注意，您可能只想以更高的分辨率运行，例如五个或更多点 每个八度，以产生更完整、更易于查看的结果。

步骤 5：运行模拟

这看起来很简单，但LTspice需要多个生产步骤来 生成波特图。第一步是运行模拟，这不会产生 （尚未）图，而是显示正常的示波器电压和电流测量值。 按照后续步骤生成波特图。

步骤 6：生成波特图

打开 SPICE 错误日志，方法是右键单击原理图窗口并选择绘制 .step'ed .meas 数据。从“打印设置”菜单中选择“可见迹线”，然后选择“增益”以绘制数据。可选地，可以导出测量数据 通过单击文件并选择将数据导出为文本以生成 CSV 文件 波特数据。

使用网络分析仪确认波特图 — 超越仿真

控制回路的模拟不如真实的东西可靠，不应该 用于完全保证循环稳定性和裕量。在某个阶段 设计过程中，控制回路应在实验室中使用网络进行验证 分析器工具。

LTspice中生成的波特图可以与网络分析仪波特进行比较 绘制测量结果。就像仿真一样，通过将噪声注入反馈回路并测量和 处理 A-B 和 A-C 增益和相位。测量设置示意图 和照片如图 5 到图 7 所示。

图5.使用网络分析仪设置LED驱动器控制回路波特图测量。

图6.Venable 系统 5060A 型老式网络分析仪，用于 LED 驱动器的高边浮动噪声注入和测量。

图7.LT3950 LED 驱动器上的噪声注入和测量点。

图8.DC2788A 演示电路上 LT3950 LED 驱动器的波特图。通过LTspice仿真生成的图（蓝线）与使用网络分析仪生成的图（绿线）具有很强的相关性。

 

测试设置	交越频率（千赫）	增益裕量（分贝）	相位裕量 （°）
网络分析仪，8 V在	16.75	17.47	83.96
LTspice， 8 V在	15.8	13.79	71.23
网络分析仪，12 V在	30.41	18.71	83.73
LTspice， 12 V在	47.36	5.04	62.29

 

LTspice仿真结果表明与网络分析仪数据具有很强的相关性， 证明LTspice是LED驱动器设计中的有用工具——产生粗糙的 基线，以帮助工程师缩小组件选择范围。这 较低频率下的增益和相位紧随硬件，较高频率下的仿真和硬件数据之间的差异更大。这可能会 代表高频极点、零点、寄生建模的挑战 电感、电容和等效串联电阻。

结论

LTspice建模可用于测量控制环路增益和相位，因此 为 LED 驱动器生成波特图。LTspice仿真的精度 数据取决于所使用的SPICE模型的准确性，尽管要小心 对每个组件进行建模以解释实际行为是有代价的 增加的模拟时间。出于LED驱动器设计的目的，LTspice数据 对于相对快速地缩小组件范围和预测很有用 即使没有完美的组件建模，也能实现一般电路行为。一个工作 仿真有助于在过渡到硬件之前指导设计工程师 实施，节省整体设计时间。一次粗略的组件选择 已经完成，使用带有网络分析仪的内置板进行测量可以 确认或对比仿真结果，作为硬件验证的一种手段 在开发过程中。

审核编辑：郭婷