ADI LTspice 24版本使用指南

LTspice 24 使用指南

LTSpice是ADI旗下一款免费的SPICE类电力电子仿真软件，集成了庞大且不断增长的模型库，此模型库已超过30,000，其中包括5,000以上的ADI产品模型和示例电路。借助于仿真软件的波形观测器来捕获原理图并显示仿真结果，便于工程师快速验证电路设计及器件选型。LTspice 24发布于2024年初，相较于旧版本新增了较多功能，新增的FRA功能可以对非线性电路进行频率响应分析，极其适用于优化开关模式DC-DC转换器的环路稳定性，同时仿真运行速度得到了更快提升。

LTspice 24新增及优化功能概述

LTspice 24进行了全面升级，性能方面得到了极大改进，用户界面和用户体验得到了增强，整体外观和布局进行了优化，操作更加便捷。

仿真速度的提升：与之前版本相比，新版平均仿真时间缩短约20%，相当于速度提升约25%。处理仿真数据的方式进行了改进，提高了运行间的一致性。

整体外观及感受：更新后的用户界面具有更高的分辨率，图标更加清晰，光标更加直观，状态栏更加醒目，帮助使用者注意到了之前容易忽略的有用信息。

键盘快捷键和动态备忘单：提供了更直观的键盘快捷键和动态备忘单，也具有恢复为旧版键盘快捷键的编辑器选项。“帮助”菜单提供浮动备忘单，方便将其置于另一个显示屏上或同一显示屏的侧边。

4端口频率响应分析仪探头：便于绘制环路任意部分的波特图，可以对反相输出稳压器、反馈器件内置的电路及电流反馈信号系统进行分析。

器件库和应用数据：……(详尽介绍请见PDF文档)

文件处理：……(详尽介绍请见PDF文档)

波形查看器：……(详尽介绍请见PDF文档)

仿真控制：……(详尽介绍请见PDF文档)

器件参数编辑器：……(详尽介绍请见PDF文档)

元器件选择：……(详尽介绍请见PDF文档)

操作：……(详尽介绍请见PDF文档)

Tips：介绍详尽，篇幅太长，请下载PDF文档《LTspice 24仿真工具：优化、简化电路仿真，并加快仿真速度》查看具体介绍。

FRA对话框设置

LTspice的FRA(Frequency Response Analysis)频率响应分析是一种专门的瞬态仿真工具，适用于无法通过典型交流小信号分析的非线性系统，比如开关电源和控制环路的设计及分析。FRA分析就是将FRA组件也就是频率响应分析仪插入环路，通过注入一系列测试信号到闭环系统中，利用FRA分析提取增益和相位与频率的关系并创建波特图进行分析。简而言之，FRA组件和指令可用于提供测试信号和分析。FRA功能的基本使用步骤包括添加FRA组件，配置组件和添加分析指令。配置参数时是需要了解电路达到稳定状态所需的启动时间、 特定电路的目标频率、 以及充分利用此分析所需的激励信号幅度。

LTspice FRA设置

右击频率响应分析仪后显示图1设置对话框，通过此对话框进行控制分析参数的设置。对话框由上而下分别代表：增益/相位波特图或输出阻抗分析的选择、频率设置、控制激励信号幅度的设置、应用激励的施加时间控制及时长和仿真所需时间的指示。完成所有参数设置后则会计算出仿真花费的时间。参数设置不同，仿真时间也不相同。

图1. FRA设置对话框

1. 频率设置：

(1) 激励频率框中指定最低频率、起始频率和结束频率(最高频率)，图2体现了设定值和波形关系。……(详尽介绍请见PDF文档)

(2) 激励频率部分可以设置最高步进频率，此值基本上限制了较低频率下的扫描分辨率，图2以6KHz为例，6KHz以下每倍频程有一个数据点，6KHz以上每倍频程有4个点。……(详尽介绍请见PDF文档)

图2. 频率设置示例

2. 控制激励信号幅值设置：

图3示例了低频和高频下的幅值。信号幅值足够大的话，即使除以增益，LTspice也能进行解析;信号足够小的话可以避免引起非线性操作，比如限制误差增长，使得信号在整个频率范围内不超出安全边界。频率较低时，增益往往较高，这通常会支持更多信号、更多激励;频率较高时，增益往往较低，支持较少的激励以避免非线性操作。

图3. 幅值示例

3. “通用”对话框设置：

(1) 延迟：开始执行频率响应分析之前LTspice将要等待的延迟，期望此时间足够长以使电路达到稳定状态。

(2) 平均时间：可以平均掉开关噪声，(100÷fsw)是较好的起点值。

(3) 建立时间：每次应用新激励后将要等待的时间，软件会丢弃开始分析前等待时间的这段数据。通常(2÷f0dB)的值足以让电路稳定下来。

图4示意了这些参数在波形上的实际物理意义。

图4. 通用对话框波形示意

Tips：介绍详尽，篇幅太长，请下载PDF文档《LTspice 24仿真工具：优化、简化电路仿真，并加快仿真速度》查看具体介绍。

FRA 分析示例及步骤 FAR ANALYZE 如何充分利用LTspice FRA工具进行电路分析，步骤大致包含：准备电路、FRA元件插入环路、初值设置及运行、检查瞬态波形、查看波特图分析、优化激励、扩展到更多频率的分析。此章节最后列出了加快分析速度的方法。

1.准备电路：

将探针放置于需要查看波形的位置，通过仿真图形观察电路的基本时域启动行为。图5所示将探针分别至于电路的开关节点、电感电流和输出电压处，仿真波形如右所示。示例的LT8609S是一款常见的降压稳压器，不带外部补偿，因此波形中无需查看控制电压。

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图5. FRA电路准备及仿真图示例

2. FRA设备的放置

图6示例了两种放置方法，左边是错误方法，右边是正确方法。左边电路将FRA设备插入到输出和反馈分压器之间，但C5前馈电容在FRA设备周围创建了FB引脚路径。右边正确的方法是FRA设备中断了反馈分压器和前馈电容。

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图6. FRA放置(不正确VS正确)

3. FRA初值设置

图7是初始值设置的若干指导建议

设置两到三个频率：若了解环路带宽，尝试起始频率Fstart = f0dB÷8，结束频率Fend = 2*f0dB;若不了解环路带宽，Fstart = fsw÷160，Fend = fsw÷10;将分辨率设置为每倍频程半个点。……(详尽介绍请见PDF文档)

pp0 =共模电压的1%或2%，对于激励信号幅度，Vpp0从共模电压的1%或2%开始，本例中的Vpp0则是50mV。……(详尽介绍请见PDF文档)

建立时间和平均时间：某些类型的器件如恒定频率器件往往能比非恒定频率器件容忍更多激励，如恒定导通时间、边界模式等，因此务必留出充足的建立时间和平均时间。……(详尽介绍请见PDF文档)

添加指令：原理图中添加.FRA仿真指令。……(详尽介绍请见PDF文档)

4. 波形分析

点击运行按钮，分析完成后将弹出时域图形窗口和波特图窗口，图8时域波形显示了输出电压，两个端口压差和电感电流。为了直观了解具有外部补偿的控制电压的形状，选择了具有外部补偿的3833器件。

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图8. FRA波形分析

5. 波特图分析

频率为0dB的点被称为交越频率，以F0dB表示，按照经验值设定起始频率Fstart和结束频率Fend初始值，一般Fstart = f0dB÷8，Fend = 2*f0dB进行设定，然后再逐步调整。图10示例的交越频率F(0dB)=82.1477KHz，相位裕量Phase Margin=61.1331degrees。

图10. 波特图示例

6. 仿真幅度

通常只使用3个频率确定的交越频率不太精确，解决方法是更加精确地指定激励信号幅度。低频时低频增益更高，因此需要更多信号;较高频率时通常需要更少的信号以避免使电路进入非线性操作。

……(详尽介绍请见PDF文档)

7. 添加更多频率

对初始频率及时域和频域结果满意后，可以在分析中添加更多频率，一般按照如下建议设定：

起始频率：Fstart=f0dB÷(10~50),通常Fstart=f0dB÷(10~20)已足够。Fstart越低，仿真时间就越长，1kHz的激励频率需要1ms的分析时间。

结束频率：Fend=(2~10)*f0dB

大步进频率：Fcoarse = 2*Fstart

8. 加速FRA的方法

使用优化后的激励和附加频率进行分析时，可能会选择加速FRA来得到令人满意的FRA波特图，通常会有如下加速FRA的方法：

外部器件：不同输出电容或不同补偿元件的值可以加快分析运行速度;

提高步进频率，也就是网表中的Fcoarse参数，Fcoarse=(2~3)*Fstart;

增加共振谐波的最大数量，网表中被称为Nmax，默认值为1，将此值设置为2~4有助于改善仿真时间，但这也会提高失真敏感度。增加Nmax时，需要将波特图与初始黄金波特图进行比较;

幅度调整，稍微降低幅度有助于解决失真问题。SPICE日志指明了在什么时间应用了哪些谐波，这样就可以看到哪些频率是同时应用的;

缩短最短分析时间，若开关纹波相对激励而言非常小，那么需要的平均值通常也较少，50或100个开关周期可能就已足够。仿真中成本最高的部分是最低频率，因此不建议将该时间缩短到纳秒级;

缩短建立时间，建立时间发生在各激励块之间，建立时间缩短为(1~2)÷f0dB足以;

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FRA探头 FRA PROBE

FRA探头和示波器探头一样仅用于监视，需要与FRA设备结合使用以控制激励。将FRA探头添加到LTspice 24中以便识别FRA仿真中用于增益分析的节点。所有端口均为输入端，电容为零且输入阻抗无限大。O端口虽然看起来像输出端，但实际上是该模块的输入端。

LTspice的作用是分析V(O+, O-) / V(I+, I-)这样复杂的增益，O是环路输出端，I是环路输入端。这个复杂的增益和相位保存在频域原始文件中，并且可在波特图窗口中绘制。当然，探头没有配置参数，因为激励是由频率响应分析仪设备控制的。

反相输出稳压器的分析：……(详尽介绍请见PDF文档)

反馈器件内置模组：……(详尽介绍请见PDF文档)

电流反馈信号系统：……(详尽介绍请见PDF文档)

采样反馈

对于采样反馈系统，虽然棘手但ADI工程师给出了完美解决方案。LT3748是一款采用采样反馈的非光学隔离反激式转换器，开关导通时通过LTspice采样保持设备对反馈点采样并通过FRA连续时间信号进行分析。 ……(详尽介绍请见PDF文档)

结束语

LTspice使用者用途各不相同，有用于电源和信号链的设计，有用于物理系统建模，也有用于电子教学目的，不论何种原因，ADI官方详尽的指导资料助力各类使用者快速上手。若想获取更多LTspice资料，可以登录页面https://analog.com/ltspice下载LTspice并找到其他有用资源;访问ADI在线技术支持社区https://ez.analog.com/r?5，也可获取有效信息。

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