使用LTspice仿真功能检查电源启动时的运作情况

在上篇《活学活用 LTspice 进行电路设计 — DC-DC 转换器仿真》中，我们介绍了开关稳压器的高速仿真功能。回顾一下，DC-DC 转换器性能评估一般包括以下四个要素：

输出纹波电压

转换效率

电源启动时，检查输出电压过冲和浪涌电流

SW 节点波形、输出瞬态响应等

前两个要素在上篇 LTspice 系列文章中已分点解析，本文将继续以降压转换器 LT8640 为例，介绍如何使用 LTspice 仿真功能，检查电源启动时的运作情况。

电源启动时的运作情况

通常在启动电源时，需要检查有无输出电压过冲和浪涌电流，这两点在电源电路设计中是检查电源性能的必要参数。具体来说，输出电压过冲可能会导致后续设备出现故障或失效。此外，如果浪涌电流较大，可能会出现超过电路中元件 (电感器等) 额定值的情况，这也将直接影响到电源 IC 的正常运作。以下介绍使用 LTspice 轻松检查的方法。

检查输出电压过冲

在观察电源启动时的运作情况，除了输出电压波形，还要确认输入电压在规格范围内最小至最大电压下的输出电压波形，负载电流也同样需要在规格范围内的条件下确认。在检查输出电压有无过冲的同时，还要检查有无振铃或下冲。如果发生这些情况，不仅输出电压稳定所需的时间超过必要的时间，而且如果波动较大，则会导致后续设备 (被供电的设备) 发生故障。

检查输出电压波形 (正常运行期间) 

如下图 (图1) 所示，为正常状态下的输出电压波形。放大过冲并检查峰值电压，将范围从 500 μs 扩大到 700 μs，包括稳态。关于波形放大流程，请参阅上篇系列文章《活学活用 LTspice 进行电路设计 — DC-DC 转换器仿真》。

图1 正常状态下的输出电压波形

将鼠标移动到峰值部分，屏幕左下角显示为 5.0334V，如下图 (图2) 所示。相较于 5V 输出电压 (稳态)，此时输出电压误差约为 0.7%，在大多数情况下都能正常运作。如果需要查找峰值了解更多详细信息，请单击 Autorange 按钮。

图2 正常状态下放大的输出电压波形

检查输出电压波形 (异常运行期间)

上文以正常运作为例介绍了如何检查输出电压过冲，但在异常情况下，我们可以通过调整相位和增益余量来优化振铃、过冲和下冲。除此之外，还可以调整软启动和负载电容。这里所说的异常运行，是指比如当过冲电压达到后续器件的绝对最大额定值时。以 LT8640 为例，通过改变连接到软启动引脚的电容器的容量，对其进行仿真模拟。

将电路图中连接 TR/SS 引脚的软启动电容 (C2) 常数由 1nF 改为 1pF，进行仿真模拟的结果，如下图 (图3) 所示。同样，如果把过冲部分放大，就能清楚地看到差异。

补充说明

软启动引脚 (电容器) 一般由用户来控制启动期间输出电压上升的速度。

图3 输出电压波形（改变C2时）

将鼠标移动到峰值部分，屏幕左下角显示为 5.449V，如下图 (图4) 所示。相较于 5V 输出电压 (稳态)，此时的输出电压误差约为 9%，在诸如 CPU 电源等需要 5% 或更低误差的应用中，它被判断为异常，需要重新检查电路。

另外，由于这次的扩展范围为 50μs 到 400μs，可以确认电源的上升速度更快。因此，使用 LTspice 仿真功能，可以轻松检查单个软启动电容器显著特性变化。

图4 过充拓展（更改C2时）

附加功能 — 使用 .step 命令

在以上输出电压过冲的仿真模拟中，我们改变了电路中的常数，还比较了所产生的波形，以确认其差异。如果能将电路中不断变化的输出电压结果显示在同一个屏幕上，将大大提高便利性。在 LTspice 中，我们可以通过使用.step命令来实现这个功能，以下介绍 .step 命令的设置方法。

第一步：使用 .step 命令给变量值分配符号，并将符号 {X} 分配给 C2 (软启动电容器)。如下图 (图5、图6) 所示：

图5 C2定数变更①

图6 C2定数变更②

第二步：通过单击 “.op ” 或右键单击来设置命令，并在 Edit Text on the Schematic 输入 “.step param X 200p 1000p 200p ”，即从 200p 到 1000p 在 200p 的幅度波动。如下图 (图7) 所示：

图7 输入命令

第三步：确认下图 (图8) 中的 ① 和 ② 后，按运行按钮。  

 图8 设置后的电路图

如下图 (图9) 所示，在同一结果屏幕上得到了 C2 以 5 种取值时的输出波形。通过观察，C2 值越小，电源的上升速度越快，但过冲也越大。

图9 5种取值时的输出波形

检查有无浪涌电流  电源启动时，除了检查输出电压过冲，还要确认有无浪涌电流。由于输出电压的上升，会产生启动冲击电流。如果这个电流过大，供电的前级电源电路或电池提供的电流将处于过电流状态，导致电压下降，最坏的情况是关闭供电。当然，也有可能是电流超过电路中的元件 (电感器等) 的额定值，在这种情况下，将无法作为电源 IC 正常工作。

检查电感器的电流波形

以电感器电流测量为例进行说明，当电路与检查输出过冲时相同，使用 .step 命令 (C2 电容器) 中的电感器电流测量结果，如下图 (图10) 所示：

在 L1 上单击以查看电感器电流。红框部分为浪涌电流，当 C2=200pF 时，瞬态流过 13A 的电流。通过观察，C2 (软启动电容器) 值越小，浪涌电流越大。因而选择电感器时，需要选择包括该浪涌电流方面也合规的电感器。

图10 电感电流波形

附加功能 — 划分绘图框

在之前的上篇系列文章《活学活用 LTspice 进行电路设计 — DC-DC 转换器仿真》中，有一张 “ LT8640原理图和输入/输出波形 ” 的配图，其中输入电压 (Vin) 和输出电压 (Vout) 被绘制在不同的图表中。实际上如果能实现同一屏幕分别展示电流和电压的波形，将大大提高工作效率。以下介绍该功能的具体操作流程：

第一步：从 “ Plot Settings ” 下拉菜单中选择 “ Add Plot Pane ” 以分隔绘图边界，如下图 (图11) 所示。注意：除非将波形屏幕设置为活动窗口，否则不会出现 Plot Settings 的下拉菜单。

图11 选择“Add Plot Pane”

第二步：在波形窗口的顶部会出现新的图框，将要移动的波形标题拖动到新的绘图框 (这里设置为 Vout)，如下图 (图12) 所示：

图12 在另一个绘图框中观察波形

如下图 (图13) 所示，Vout 波形显示在屏幕的上半部分，而 Iout 波形显示在下半部分。如果想增加更多新的绘图框，请回到步骤一，执行相同的操作，添加 3 或 4 个新的绘图框。

此外，如果要删除波形，请在图形界面中选择剪切标记 (Cut) 命令，并在要删除的波形名称上单击鼠标以删除波形。如果要删除绘图框，也可以在选中剪切命令的情况下单击鼠标将其删除。

图13 在一个单独的图框中观察2个波形

总结

在以往的 LTspice 系列文章中，我们介绍了使用 LTspice 轻松检查 DC-DC 转换器的特性，而在本文，我们聚焦于电源启动时的运作情况。除此之外，LTspice 也可以用来检查其他各种各样的特性。

审核编辑：汤梓红