LTspice開關(guān)調(diào)節(jié)器的閉環(huán)控制

了解如何在LTspice中模擬具有電壓控制PWM波形的開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器。

我最近的文章使用LTspice電路模擬來探索不同開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)涞墓δ芎托阅堋＿@些文章集中在功率級(jí)上，功率級(jí)包含將輸入電壓轉(zhuǎn)換為更高或更低輸出電壓的基本組件。

然而，只有當(dāng)功率級(jí)與控制電路相結(jié)合時(shí)，它才能成為真正的調(diào)節(jié)器。該控制電路通過監(jiān)測VOUT并調(diào)整控制開關(guān)的信號(hào)的占空比或頻率來幫助維持指定的輸出電壓。輸出電壓被反饋到調(diào)節(jié)器中，并用于調(diào)節(jié)影響輸出幅度的信號(hào)。當(dāng)我提到閉環(huán)控制時(shí)，這就是我的意思。

在本文中，我將解釋如何在LTspice中模擬閉環(huán)控制。然后我將用LTspice降壓轉(zhuǎn)換器演示它的應(yīng)用。

在LTspice中創(chuàng)建可變工作循環(huán)

我之前文章中的每個(gè)模擬都包括一個(gè)脈寬調(diào)制（PWM）電壓波形，該波形控制轉(zhuǎn)換器的開關(guān)，從而影響輸出電壓相對(duì)于輸入電壓的大小。然而，這些模擬中的脈沖寬度僅在逐次運(yùn)行的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)制。由于占空比是通過.param語句指定的，因此在每次模擬運(yùn)行的整個(gè)過程中都必須保持恒定。

我通過使用.step參數(shù)來創(chuàng)建一個(gè)占空比列表，在多運(yùn)行模擬過程中按順序應(yīng)用，從而在脈沖寬度中添加了更多的調(diào)制，但這距離真正可變的占空比還有很長的路要走，這樣我們才能對(duì)開關(guān)穩(wěn)壓器進(jìn)行高級(jí)動(dòng)態(tài)分析。

在LTspice中創(chuàng)建電壓控制或時(shí)間相關(guān)的占空比是可能的，盡管需要一些創(chuàng)造性。脈沖電壓源功能的占空比由TPERIOD和TON字段確定，其中：

TPERIOD=重復(fù)波形的周期。

TON=每個(gè)周期內(nèi)的ON（高）時(shí)間。

例如，具有30%占空比的1kHz方波將具有1.0ms的TPERIOD和0.3ms的TON。

無論您是直接輸入數(shù)字，還是為了方便使用.param語句，這些值基本上都是硬編碼到模擬運(yùn)行中的。

正因?yàn)槿绱耍覀儾荒苤苯訌碾妷涸瓷蓜?dòng)態(tài)可變的占空比。相反，我們在模擬中這樣做，使用多個(gè)源和一個(gè)比較器。

信號(hào)實(shí)施

圖1中的LTspice功能塊傳達(dá)了我為可變占空比模擬創(chuàng)建PWM信號(hào)的方法。

LTspice功能塊顯示產(chǎn)生PWM信號(hào)的電壓源。

圖1。一種用于創(chuàng)建可變PWM信號(hào)的LTspice功能塊。

讓我們簡單地看一下示意圖的一些功能。

坡道和三角形

RAMP信號(hào)在模擬間隔期間從0V線性增加到5V。這種情況下的間隔是10毫秒，但您可以根據(jù)需要自由修改。

三角形信號(hào)在0和5V之間以1MHz的頻率線性地增加和減少。我使用脈沖函數(shù)創(chuàng)建了一個(gè)三角形波，其導(dǎo)通時(shí)間可以忽略不計(jì)，上升和下降時(shí)間等于周期的一半。

行為電壓源

B1是任意行為電壓源。任意行為電壓源的輸出由自定義函數(shù)確定，在本示意圖中，該函數(shù)可以轉(zhuǎn)換為：如果斜坡信號(hào)的電壓大于三角形信號(hào)的電壓，則將B1的電壓設(shè)置為5V；否則，將B1的電壓設(shè)置為0V。本質(zhì)上，B1起到理想化比較器的作用。

任意行為電壓源在LTspice中被識(shí)別為B源。您可以通過在主LTspice庫中搜索“bv”來找到我使用的組件。

最大時(shí)間步長

如果沒有為此模擬指定最大時(shí)間步長，LTspice會(huì)選擇一個(gè)值，該值會(huì)產(chǎn)生不可接受的長上升和下降時(shí)間，從而導(dǎo)致PWM信號(hào)嚴(yán)重失真。為了避免這種情況，我在.tran模擬命令中包含了10ns作為最大時(shí)間步長（.tran 0 10m 0 10n）。

10ns的最大時(shí)間步長產(chǎn)生清晰的波形，并且不會(huì)嚴(yán)重延長模擬時(shí)間。在我的電腦上，用默認(rèn)時(shí)間步長運(yùn)行模擬大約需要2.5秒，用10納秒時(shí)間步長運(yùn)行仿真大約需要5秒。

基本電路操作

上述配置產(chǎn)生PWM波形，其占空比在10ms內(nèi)從0%到100%穩(wěn)定變化。該電路中的基本動(dòng)作模式如圖2所示。

上圖：脈寬調(diào)制電壓。下圖：斜坡電壓（綠色）和三角形電壓（藍(lán)色）。

圖2:上圖：脈寬調(diào)制電壓。下圖：斜坡電壓（綠色）和三角形電壓（藍(lán)色）。

因?yàn)樾逼滦盘?hào)的變化比三角信號(hào)慢得多，所以斜坡電壓在三角波的一個(gè)周期內(nèi)是穩(wěn)定的。三角形跡線中位于斜坡跡線下方的部分對(duì)應(yīng)于PWM信號(hào)的邏輯高部分，三角形跡線的位于斜坡跡線上的部分對(duì)應(yīng)著PWM信號(hào)的低邏輯部分。

由于這個(gè)原因，在模擬間隔開始時(shí)占空比較低。隨著斜坡電壓逐漸增加，邏輯高時(shí)間也逐漸增加，直到占空比在模擬間隔結(jié)束時(shí)接近100%。從低占空比到高占空比的過程如下圖3、4和5所示。注意相對(duì)于10ms模擬間隔的水平軸上的值。

LTspice圖顯示了低占空比下的電壓控制電路行為。PWM電壓為紅色，斜坡電壓為綠色，三角形電壓為藍(lán)色。

圖3。低占空比下的電壓控制電路行為。

LTspice圖顯示了在中等占空比下的電壓控制電路行為。PWM電壓為紅色，斜坡電壓為綠色，三角形電壓為藍(lán)色。

圖4。中等占空比下的電壓控制電路行為。

LTspice圖顯示了高占空比下的電壓控制電路行為。PWM電壓為紅色，斜坡電壓為綠色，三角形電壓為藍(lán)色。

圖5。高占空比下的電壓控制電路行為。

PWM信號(hào)的頻率等于三角波的頻率，斜坡、三角形和占空比（D）之間的數(shù)學(xué)關(guān)系很簡單：D等于給定時(shí)刻的斜坡電壓除以三角形信號(hào)的最大電壓。

該公式假設(shè)三角形信號(hào)的最小電壓為0V，并且斜坡信號(hào)不延伸到0V以下。

這種關(guān)系在圖4中特別明顯，其中斜坡信號(hào)為2.5 V。由于2.5 V是三角波最大電壓的50%，PWM占空比為50%。

時(shí)間相關(guān)與電壓控制PWM

本文中提出的電路在控制波形以不規(guī)則或不可預(yù)測的方式變化的情況下仍然有效。當(dāng)我使用術(shù)語“電壓控制”時(shí)，這就是我腦海中的波形類型。這也是我們期望的電壓調(diào)節(jié)器輸出節(jié)點(diǎn)反饋的波形類型。

嚴(yán)格地說，我們的電路總是產(chǎn)生電壓控制的PWM信號(hào)。然而，我們可以通過指定一個(gè)相對(duì)于時(shí)間以簡單一致的方式變化的控制電壓（如VRAMP）來實(shí)現(xiàn)與時(shí)間相關(guān)的PWM信號(hào)的等效。

接下來，我們將使用電壓控制PWM來提高降壓轉(zhuǎn)換器的VOUT精度。

創(chuàng)建具有閉環(huán)控制的LTspice降壓轉(zhuǎn)換器

圖1包含電壓源的組合，允許我們在模擬運(yùn)行期間更改矩形波的占空比。當(dāng)我們將此功能塊與LTspice降壓轉(zhuǎn)換器集成時(shí)，反饋將幫助實(shí)際輸出電壓收斂到所需的輸出電壓。

如果我們可以使用電壓來控制PWM占空比，我們就滿足了創(chuàng)建閉環(huán)開關(guān)調(diào)節(jié)器電路的基本要求。但是，請(qǐng)注意，我們創(chuàng)建的電路僅用于演示和教學(xué)目的。它不會(huì)復(fù)制任何現(xiàn)實(shí)生活中的開關(guān)電源（SMPS）控制電路的細(xì)節(jié)。

此外，原理圖中的幾個(gè)數(shù)值是根據(jù)以前的經(jīng)驗(yàn)選擇的，并使用試錯(cuò)法進(jìn)行調(diào)整。它們不是數(shù)學(xué)上嚴(yán)格的設(shè)計(jì)程序的結(jié)果，也沒有經(jīng)過徹底的優(yōu)化。

方案和設(shè)計(jì)

圖6中的LTspice示意圖顯示了降壓轉(zhuǎn)換器功率級(jí)與圖1中的電壓源相結(jié)合。稍后，我們將使用此示意圖來運(yùn)行模擬。

具有閉環(huán)控制的降壓轉(zhuǎn)換器的LTspice實(shí)現(xiàn)。

圖6。具有閉環(huán)控制的降壓轉(zhuǎn)換器的LTspice實(shí)現(xiàn)。

讓我們簡單回顧一下新示意圖中的功能塊。

VTRIANGLE：該電壓源生成三角波，作為PWM波形的基礎(chǔ)。

VTIMER：這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓，使其他電源在指定的時(shí)間長度后改變其行為，在這種情況下為4ms。

B2：這產(chǎn)生控制電壓（VCONTROL），該控制電壓通過電壓源B1與VTRIANGLE進(jìn)行比較以產(chǎn)生可變PWM信號(hào)。

B3：該電源產(chǎn)生誤差電壓。它是通過從實(shí)際輸出電壓（VOUT）中減去所需輸出電壓（VSET）而產(chǎn)生的。

B4：該電壓源產(chǎn)生的輸出電壓是誤差電壓相對(duì)于時(shí)間的積分。它是使用LTspice的idt（）函數(shù)生成的。

電路行為

這里的目標(biāo)是將12V的輸入減少到6V的輸出。降壓轉(zhuǎn)換器的理論占空比為D=VOUT/VIN。因此，該電路具有50%的初始占空比。

為了產(chǎn)生50%的占空比，控制電壓（B2）必須從2.5V開始。然而，因?yàn)槲蚁肟吹皆谕磺€圖上獲得有反饋和沒有反饋的輸出電壓，所以我設(shè)置了VTIMER，以便轉(zhuǎn)換器在模擬的前4ms內(nèi)以開環(huán)模式工作，之后以閉環(huán)模式工作。當(dāng)閉環(huán)操作開始時(shí)，控制電壓將發(fā)生變化。

閉環(huán)控制的目的是幫助VOUT在VSET上收斂。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，電路響應(yīng)于誤差電壓（如前所述，它是VOUT和VSET之間的差）及其積分來修改控制電壓。有關(guān)閉環(huán)系統(tǒng)中積分信號(hào)的目的的信息，請(qǐng)參閱我關(guān)于PID控制的文章。

現(xiàn)在，事不宜遲，讓我們運(yùn)行模擬。

仿真結(jié)果

圖7說明了電路的操作。

具有閉環(huán)控制的降壓轉(zhuǎn)換器的LTspice電壓仿真。初始輸出電壓大于設(shè)定電壓。

圖7。圖6中降壓轉(zhuǎn)換器的操作。初始VOUT大于VSET。

開環(huán)操作（占空比為50%）導(dǎo)致VOUT=7 V。輸出電壓在t=4 ms時(shí)開始朝著所需值降低，此時(shí)閉環(huán)控制開始生效。誤差電壓導(dǎo)致初始階躍下降，從而降低誤差電壓。一旦發(fā)生這種情況，誤差電壓的積分有助于輸出電壓繼續(xù)接近設(shè)定電壓。

如果我將負(fù)載電流更改為1000mA，開環(huán)輸出電壓將降至約4.7V。圖8顯示，當(dāng)VOUT需要向設(shè)定電壓增加而不是減少時(shí)，電路的功能類似。

具有閉環(huán)控制的降壓轉(zhuǎn)換器的LTspice電壓仿真。初始輸出電壓小于設(shè)定電壓。

圖8。圖6中降壓轉(zhuǎn)換器的操作。初始VOUT小于VSET。

總結(jié)

我希望這篇文章能讓你深入了解閉環(huán)控制在開關(guān)模式電壓調(diào)節(jié)中的應(yīng)用，也許還能擴(kuò)展你的LTspice技術(shù)。我認(rèn)為這個(gè)電路可能是開發(fā)更復(fù)雜或更廣泛的SMPS模擬的一個(gè)很好的起點(diǎn)。如果你碰巧這樣做，請(qǐng)留言并告訴我們你學(xué)到了什么。