LTspice 24 使用指南

LTSpice是ADI旗下一款免費(fèi)的SPICE類電力電子仿真軟件，集成了龐大且不斷增長的模型庫，此模型庫已超過30,000，其中包括5,000以上的ADI產(chǎn)品模型和示例電路。借助于仿真軟件的波形觀測(cè)器來捕獲原理圖并顯示仿真結(jié)果，便于工程師快速驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)及器件選型。LTspice 24發(fā)布于2024年初，相較于舊版本新增了較多功能，新增的FRA功能可以對(duì)非線性電路進(jìn)行頻率響應(yīng)分析，極其適用于優(yōu)化開關(guān)模式DC-DC轉(zhuǎn)換器的環(huán)路穩(wěn)定性，同時(shí)仿真運(yùn)行速度得到了更快提升。

LTspice 24新增及優(yōu)化功能概述

LTspice 24進(jìn)行了全面升級(jí)，性能方面得到了極大改進(jìn)，用戶界面和用戶體驗(yàn)得到了增強(qiáng)，整體外觀和布局進(jìn)行了優(yōu)化，操作更加便捷。

仿真速度的提升：與之前版本相比，新版平均仿真時(shí)間縮短約20%，相當(dāng)于速度提升約25%。處理仿真數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行了改進(jìn)，提高了運(yùn)行間的一致性。

整體外觀及感受：更新后的用戶界面具有更高的分辨率，圖標(biāo)更加清晰，光標(biāo)更加直觀，狀態(tài)欄更加醒目，幫助使用者注意到了之前容易忽略的有用信息。

鍵盤快捷鍵和動(dòng)態(tài)備忘單：提供了更直觀的鍵盤快捷鍵和動(dòng)態(tài)備忘單，也具有恢復(fù)為舊版鍵盤快捷鍵的編輯器選項(xiàng)。“幫助”菜單提供浮動(dòng)備忘單，方便將其置于另一個(gè)顯示屏上或同一顯示屏的側(cè)邊。

4端口頻率響應(yīng)分析儀探頭：便于繪制環(huán)路任意部分的波特圖，可以對(duì)反相輸出穩(wěn)壓器、反饋器件內(nèi)置的電路及電流反饋信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行分析。

器件庫和應(yīng)用數(shù)據(jù)：……(詳盡介紹請(qǐng)見PDF文檔)

文件處理：……(詳盡介紹請(qǐng)見PDF文檔)

波形查看器：……(詳盡介紹請(qǐng)見PDF文檔)

仿真控制：……(詳盡介紹請(qǐng)見PDF文檔)

器件參數(shù)編輯器：……(詳盡介紹請(qǐng)見PDF文檔)

元器件選擇：……(詳盡介紹請(qǐng)見PDF文檔)

操作：……(詳盡介紹請(qǐng)見PDF文檔)

Tips：介紹詳盡，篇幅太長，請(qǐng)下載PDF文檔《LTspice 24仿真工具：優(yōu)化、簡化電路仿真，并加快仿真速度》查看具體介紹。

FRA對(duì)話框設(shè)置

LTspice的FRA(Frequency Response Analysis)頻率響應(yīng)分析是一種專門的瞬態(tài)仿真工具，適用于無法通過典型交流小信號(hào)分析的非線性系統(tǒng)，比如開關(guān)電源和控制環(huán)路的設(shè)計(jì)及分析。FRA分析就是將FRA組件也就是頻率響應(yīng)分析儀插入環(huán)路，通過注入一系列測(cè)試信號(hào)到閉環(huán)系統(tǒng)中，利用FRA分析提取增益和相位與頻率的關(guān)系并創(chuàng)建波特圖進(jìn)行分析。簡而言之，F(xiàn)RA組件和指令可用于提供測(cè)試信號(hào)和分析。FRA功能的基本使用步驟包括添加FRA組件，配置組件和添加分析指令。配置參數(shù)時(shí)是需要了解電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的啟動(dòng)時(shí)間、 特定電路的目標(biāo)頻率、 以及充分利用此分析所需的激勵(lì)信號(hào)幅度。

LTspice FRA設(shè)置

右擊頻率響應(yīng)分析儀后顯示圖1設(shè)置對(duì)話框，通過此對(duì)話框進(jìn)行控制分析參數(shù)的設(shè)置。對(duì)話框由上而下分別代表：增益/相位波特圖或輸出阻抗分析的選擇、頻率設(shè)置、控制激勵(lì)信號(hào)幅度的設(shè)置、應(yīng)用激勵(lì)的施加時(shí)間控制及時(shí)長和仿真所需時(shí)間的指示。完成所有參數(shù)設(shè)置后則會(huì)計(jì)算出仿真花費(fèi)的時(shí)間。參數(shù)設(shè)置不同，仿真時(shí)間也不相同。

圖1. FRA設(shè)置對(duì)話框

1. 頻率設(shè)置：

(1) 激勵(lì)頻率框中指定最低頻率、起始頻率和結(jié)束頻率(最高頻率)，圖2體現(xiàn)了設(shè)定值和波形關(guān)系。……(詳盡介紹請(qǐng)見PDF文檔)

(2) 激勵(lì)頻率部分可以設(shè)置最高步進(jìn)頻率，此值基本上限制了較低頻率下的掃描分辨率，圖2以6KHz為例，6KHz以下每倍頻程有一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，6KHz以上每倍頻程有4個(gè)點(diǎn)。……(詳盡介紹請(qǐng)見PDF文檔)

圖2. 頻率設(shè)置示例

2. 控制激勵(lì)信號(hào)幅值設(shè)置：

圖3示例了低頻和高頻下的幅值。信號(hào)幅值足夠大的話，即使除以增益，LTspice也能進(jìn)行解析;信號(hào)足夠小的話可以避免引起非線性操作，比如限制誤差增長，使得信號(hào)在整個(gè)頻率范圍內(nèi)不超出安全邊界。頻率較低時(shí)，增益往往較高，這通常會(huì)支持更多信號(hào)、更多激勵(lì);頻率較高時(shí)，增益往往較低，支持較少的激勵(lì)以避免非線性操作。

圖3. 幅值示例

3. “通用”對(duì)話框設(shè)置：

(1) 延遲：開始執(zhí)行頻率響應(yīng)分析之前LTspice將要等待的延遲，期望此時(shí)間足夠長以使電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

(2) 平均時(shí)間：可以平均掉開關(guān)噪聲，(100÷fsw)是較好的起點(diǎn)值。

(3) 建立時(shí)間：每次應(yīng)用新激勵(lì)后將要等待的時(shí)間，軟件會(huì)丟棄開始分析前等待時(shí)間的這段數(shù)據(jù)。通常(2÷f0dB)的值足以讓電路穩(wěn)定下來。

圖4示意了這些參數(shù)在波形上的實(shí)際物理意義。

圖4. 通用對(duì)話框波形示意

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FRA 分析示例及步驟 FAR ANALYZE 如何充分利用LTspice FRA工具進(jìn)行電路分析，步驟大致包含：準(zhǔn)備電路、FRA元件插入環(huán)路、初值設(shè)置及運(yùn)行、檢查瞬態(tài)波形、查看波特圖分析、優(yōu)化激勵(lì)、擴(kuò)展到更多頻率的分析。此章節(jié)最后列出了加快分析速度的方法。

1.準(zhǔn)備電路：

將探針放置于需要查看波形的位置，通過仿真圖形觀察電路的基本時(shí)域啟動(dòng)行為。圖5所示將探針分別至于電路的開關(guān)節(jié)點(diǎn)、電感電流和輸出電壓處，仿真波形如右所示。示例的LT8609S是一款常見的降壓穩(wěn)壓器，不帶外部補(bǔ)償，因此波形中無需查看控制電壓。

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圖5. FRA電路準(zhǔn)備及仿真圖示例

2. FRA設(shè)備的放置

圖6示例了兩種放置方法，左邊是錯(cuò)誤方法，右邊是正確方法。左邊電路將FRA設(shè)備插入到輸出和反饋分壓器之間，但C5前饋電容在FRA設(shè)備周圍創(chuàng)建了FB引腳路徑。右邊正確的方法是FRA設(shè)備中斷了反饋分壓器和前饋電容。

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圖6. FRA放置(不正確VS正確)

3. FRA初值設(shè)置

圖7是初始值設(shè)置的若干指導(dǎo)建議

設(shè)置兩到三個(gè)頻率：若了解環(huán)路帶寬，嘗試起始頻率Fstart = f0dB÷8，結(jié)束頻率Fend = 2*f0dB;若不了解環(huán)路帶寬，F(xiàn)start = fsw÷160，F(xiàn)end = fsw÷10;將分辨率設(shè)置為每倍頻程半個(gè)點(diǎn)?！?詳盡介紹請(qǐng)見PDF文檔)

pp0 =共模電壓的1%或2%，對(duì)于激勵(lì)信號(hào)幅度，Vpp0從共模電壓的1%或2%開始，本例中的Vpp0則是50mV。……(詳盡介紹請(qǐng)見PDF文檔)

建立時(shí)間和平均時(shí)間：某些類型的器件如恒定頻率器件往往能比非恒定頻率器件容忍更多激勵(lì)，如恒定導(dǎo)通時(shí)間、邊界模式等，因此務(wù)必留出充足的建立時(shí)間和平均時(shí)間?！?詳盡介紹請(qǐng)見PDF文檔)

添加指令：原理圖中添加.FRA仿真指令?！?詳盡介紹請(qǐng)見PDF文檔)

4. 波形分析

點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，分析完成后將彈出時(shí)域圖形窗口和波特圖窗口，圖8時(shí)域波形顯示了輸出電壓，兩個(gè)端口壓差和電感電流。為了直觀了解具有外部補(bǔ)償?shù)目刂齐妷旱男螤?，選擇了具有外部補(bǔ)償?shù)?833器件。

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圖8. FRA波形分析

5. 波特圖分析

頻率為0dB的點(diǎn)被稱為交越頻率，以F0dB表示，按照經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定起始頻率Fstart和結(jié)束頻率Fend初始值，一般Fstart = f0dB÷8，F(xiàn)end = 2*f0dB進(jìn)行設(shè)定，然后再逐步調(diào)整。圖10示例的交越頻率F(0dB)=82.1477KHz，相位裕量Phase Margin=61.1331degrees。

圖10. 波特圖示例

6. 仿真幅度

通常只使用3個(gè)頻率確定的交越頻率不太精確，解決方法是更加精確地指定激勵(lì)信號(hào)幅度。低頻時(shí)低頻增益更高，因此需要更多信號(hào);較高頻率時(shí)通常需要更少的信號(hào)以避免使電路進(jìn)入非線性操作。

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7. 添加更多頻率

對(duì)初始頻率及時(shí)域和頻域結(jié)果滿意后，可以在分析中添加更多頻率，一般按照如下建議設(shè)定：

起始頻率：Fstart=f0dB÷(10~50),通常Fstart=f0dB÷(10~20)已足夠。Fstart越低，仿真時(shí)間就越長，1kHz的激勵(lì)頻率需要1ms的分析時(shí)間。

結(jié)束頻率：Fend=(2~10)*f0dB

大步進(jìn)頻率：Fcoarse = 2*Fstart

8. 加速FRA的方法

使用優(yōu)化后的激勵(lì)和附加頻率進(jìn)行分析時(shí)，可能會(huì)選擇加速FRA來得到令人滿意的FRA波特圖，通常會(huì)有如下加速FRA的方法：

外部器件：不同輸出電容或不同補(bǔ)償元件的值可以加快分析運(yùn)行速度;

提高步進(jìn)頻率，也就是網(wǎng)表中的Fcoarse參數(shù)，F(xiàn)coarse=(2~3)*Fstart;

增加共振諧波的最大數(shù)量，網(wǎng)表中被稱為Nmax，默認(rèn)值為1，將此值設(shè)置為2~4有助于改善仿真時(shí)間，但這也會(huì)提高失真敏感度。增加Nmax時(shí)，需要將波特圖與初始黃金波特圖進(jìn)行比較;

幅度調(diào)整，稍微降低幅度有助于解決失真問題。SPICE日志指明了在什么時(shí)間應(yīng)用了哪些諧波，這樣就可以看到哪些頻率是同時(shí)應(yīng)用的;

縮短最短分析時(shí)間，若開關(guān)紋波相對(duì)激勵(lì)而言非常小，那么需要的平均值通常也較少，50或100個(gè)開關(guān)周期可能就已足夠。仿真中成本最高的部分是最低頻率，因此不建議將該時(shí)間縮短到納秒級(jí);

縮短建立時(shí)間，建立時(shí)間發(fā)生在各激勵(lì)塊之間，建立時(shí)間縮短為(1~2)÷f0dB足以;

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FRA探頭 FRA PROBE

FRA探頭和示波器探頭一樣僅用于監(jiān)視，需要與FRA設(shè)備結(jié)合使用以控制激勵(lì)。將FRA探頭添加到LTspice 24中以便識(shí)別FRA仿真中用于增益分析的節(jié)點(diǎn)。所有端口均為輸入端，電容為零且輸入阻抗無限大。O端口雖然看起來像輸出端，但實(shí)際上是該模塊的輸入端。

LTspice的作用是分析V(O+, O-) / V(I+, I-)這樣復(fù)雜的增益，O是環(huán)路輸出端，I是環(huán)路輸入端。這個(gè)復(fù)雜的增益和相位保存在頻域原始文件中，并且可在波特圖窗口中繪制。當(dāng)然，探頭沒有配置參數(shù)，因?yàn)榧?lì)是由頻率響應(yīng)分析儀設(shè)備控制的。

反相輸出穩(wěn)壓器的分析：……(詳盡介紹請(qǐng)見PDF文檔)

反饋器件內(nèi)置模組：……(詳盡介紹請(qǐng)見PDF文檔)

電流反饋信號(hào)系統(tǒng)：……(詳盡介紹請(qǐng)見PDF文檔)

采樣反饋

對(duì)于采樣反饋系統(tǒng)，雖然棘手但ADI工程師給出了完美解決方案。LT3748是一款采用采樣反饋的非光學(xué)隔離反激式轉(zhuǎn)換器，開關(guān)導(dǎo)通時(shí)通過LTspice采樣保持設(shè)備對(duì)反饋點(diǎn)采樣并通過FRA連續(xù)時(shí)間信號(hào)進(jìn)行分析。 ……(詳盡介紹請(qǐng)見PDF文檔)

結(jié)束語

LTspice使用者用途各不相同，有用于電源和信號(hào)鏈的設(shè)計(jì)，有用于物理系統(tǒng)建模，也有用于電子教學(xué)目的，不論何種原因，ADI官方詳盡的指導(dǎo)資料助力各類使用者快速上手。若想獲取更多LTspice資料，可以登錄頁面https://analog.com/ltspice下載LTspice并找到其他有用資源;訪問ADI在線技術(shù)支持社區(qū)https://ez.analog.com/r?5，也可獲取有效信息。

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