DC-DC转换器的输出纹波电压和电源转换效率

《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。

DC-DC 转换器性能评估要素

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。

输出纹波电压

使用 LT8640 的原理图

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?

图1 LT8640原理图和输入/输出波形图

‍如何计算输出纹波电压

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。

图2 波纹计算公式

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。

如何用 LTspice 显示输出纹波波形

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;

图3 鼠标操作图

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：

图4 波纹放大图

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：

图5Autorange 图标

如何检查准确的纹波电压

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:

图6 鼠标操作示意图

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。

图7 状态栏显示 dx 和 dy 测量数据图

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”。

电源转换效率

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，或者评估板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。

实测时的效率计算

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。

用 LTspice 进行自动计算

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：

图8 菜单栏中选择 “Simulate”

图9 打开 Edit simulation cmd

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：

图10 模拟完成时

如何读取计算结果

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：

图11 查看效率报告

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。

图12 效率报告

总结

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。

审核编辑：汤梓红