使用LTspice仿真功能檢查電源啟動時的運作情況

在上篇《活學活用 LTspice 進行電路設計 — DC-DC 轉換器仿真》中，我們介紹了開關穩壓器的高速仿真功能。回顧一下，DC-DC 轉換器性能評估一般包括以下四個要素：

輸出紋波電壓

轉換效率

電源啟動時，檢查輸出電壓過沖和浪涌電流

SW 節點波形、輸出瞬態響應等

前兩個要素在上篇 LTspice 系列文章中已分點解析，本文將繼續以降壓轉換器 LT8640 為例，介紹如何使用 LTspice 仿真功能，檢查電源啟動時的運作情況。

電源啟動時的運作情況

通常在啟動電源時，需要檢查有無輸出電壓過沖和浪涌電流，這兩點在電源電路設計中是檢查電源性能的必要參數。具體來說，輸出電壓過沖可能會導致后續設備出現故障或失效。此外，如果浪涌電流較大，可能會出現超過電路中元件 (電感器等) 額定值的情況，這也將直接影響到電源 IC 的正常運作。以下介紹使用 LTspice 輕松檢查的方法。

檢查輸出電壓過沖

在觀察電源啟動時的運作情況，除了輸出電壓波形，還要確認輸入電壓在規格范圍內最小至最大電壓下的輸出電壓波形，負載電流也同樣需要在規格范圍內的條件下確認。在檢查輸出電壓有無過沖的同時，還要檢查有無振鈴或下沖。如果發生這些情況，不僅輸出電壓穩定所需的時間超過必要的時間，而且如果波動較大，則會導致后續設備 (被供電的設備) 發生故障。

檢查輸出電壓波形 (正常運行期間)?

如下圖 (圖1) 所示，為正常狀態下的輸出電壓波形。放大過沖并檢查峰值電壓，將范圍從 500 μs 擴大到 700 μs，包括穩態。關于波形放大流程，請參閱上篇系列文章《活學活用 LTspice 進行電路設計 — DC-DC 轉換器仿真》。

圖1 正常狀態下的輸出電壓波形

將鼠標移動到峰值部分，屏幕左下角顯示為 5.0334V，如下圖 (圖2) 所示。相較于 5V 輸出電壓 (穩態)，此時輸出電壓誤差約為 0.7%，在大多數情況下都能正常運作。如果需要查找峰值了解更多詳細信息，請單擊 Autorange 按鈕。

圖2 正常狀態下放大的輸出電壓波形

檢查輸出電壓波形 (異常運行期間)

上文以正常運作為例介紹了如何檢查輸出電壓過沖，但在異常情況下，我們可以通過調整相位和增益余量來優化振鈴、過沖和下沖。除此之外，還可以調整軟啟動和負載電容。這里所說的異常運行，是指比如當過沖電壓達到后續器件的絕對最大額定值時。以 LT8640 為例，通過改變連接到軟啟動引腳的電容器的容量，對其進行仿真模擬。

將電路圖中連接 TR/SS 引腳的軟啟動電容 (C2) 常數由 1nF 改為 1pF，進行仿真模擬的結果，如下圖 (圖3) 所示。同樣，如果把過沖部分放大，就能清楚地看到差異。

補充說明

軟啟動引腳 (電容器) 一般由用戶來控制啟動期間輸出電壓上升的速度。

圖3 輸出電壓波形（改變C2時）

將鼠標移動到峰值部分，屏幕左下角顯示為 5.449V，如下圖 (圖4) 所示。相較于 5V 輸出電壓 (穩態)，此時的輸出電壓誤差約為 9%，在諸如 CPU 電源等需要 5% 或更低誤差的應用中，它被判斷為異常，需要重新檢查電路。

另外，由于這次的擴展范圍為 50μs 到 400μs，可以確認電源的上升速度更快。因此，使用 LTspice 仿真功能，可以輕松檢查單個軟啟動電容器顯著特性變化。

圖4 過充拓展（更改C2時）

附加功能 — 使用 .step 命令

在以上輸出電壓過沖的仿真模擬中，我們改變了電路中的常數，還比較了所產生的波形，以確認其差異。如果能將電路中不斷變化的輸出電壓結果顯示在同一個屏幕上，將大大提高便利性。在 LTspice 中，我們可以通過使用.step命令來實現這個功能，以下介紹 .step 命令的設置方法。

第一步：使用 .step 命令給變量值分配符號，并將符號 {X} 分配給 C2 (軟啟動電容器)。如下圖 (圖5、圖6) 所示：

圖5 C2定數變更①

圖6 C2定數變更②

第二步：通過單擊 “.op ” 或右鍵單擊來設置命令，并在 Edit Text on the Schematic 輸入 “.step param X 200p 1000p 200p ”，即從 200p 到 1000p 在 200p 的幅度波動。如下圖 (圖7) 所示：

圖7 輸入命令

第三步：確認下圖 (圖8) 中的 ① 和 ② 后，按運行按鈕。 ?

?圖8 設置后的電路圖

如下圖 (圖9) 所示，在同一結果屏幕上得到了 C2 以 5 種取值時的輸出波形。通過觀察，C2 值越小，電源的上升速度越快，但過沖也越大。

圖9 5種取值時的輸出波形

檢查有無浪涌電流 ?電源啟動時，除了檢查輸出電壓過沖，還要確認有無浪涌電流。由于輸出電壓的上升，會產生啟動沖擊電流。如果這個電流過大，供電的前級電源電路或電池提供的電流將處于過電流狀態，導致電壓下降，最壞的情況是關閉供電。當然，也有可能是電流超過電路中的元件 (電感器等) 的額定值，在這種情況下，將無法作為電源 IC 正常工作。

檢查電感器的電流波形

以電感器電流測量為例進行說明，當電路與檢查輸出過沖時相同，使用 .step 命令 (C2 電容器) 中的電感器電流測量結果，如下圖 (圖10) 所示：

在 L1 上單擊以查看電感器電流。紅框部分為浪涌電流，當 C2=200pF 時，瞬態流過 13A 的電流。通過觀察，C2 (軟啟動電容器) 值越小，浪涌電流越大。因而選擇電感器時，需要選擇包括該浪涌電流方面也合規的電感器。

圖10 電感電流波形

附加功能 —?劃分繪圖框

在之前的上篇系列文章《活學活用 LTspice 進行電路設計 — DC-DC 轉換器仿真》中，有一張 “ LT8640原理圖和輸入/輸出波形 ” 的配圖，其中輸入電壓 (Vin) 和輸出電壓 (Vout) 被繪制在不同的圖表中。實際上如果能實現同一屏幕分別展示電流和電壓的波形，將大大提高工作效率。以下介紹該功能的具體操作流程：

第一步：從 “ Plot Settings ” 下拉菜單中選擇 “ Add Plot Pane ” 以分隔繪圖邊界，如下圖 (圖11) 所示。注意：除非將波形屏幕設置為活動窗口，否則不會出現 Plot Settings 的下拉菜單。