LTspice 24 使用指南

LTSpice是ADI旗下一款免費的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器來捕獲原理圖并顯示仿真結(jié)果，便于工程師快速驗證電路設計及器件選型。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功能可以對非線性電路進行頻率響應分析，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，同時仿真運行速度得到了更快提升。

LTspice 24新增及優(yōu)化功能概述

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

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

整體外觀及感受：更新后的用戶界面具有更高的分辨率，圖標更加清晰，光標更加直觀，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。

鍵盤快捷鍵和動態(tài)備忘單：提供了更直觀的鍵盤快捷鍵和動態(tài)備忘單，也具有恢復為舊版鍵盤快捷鍵的編輯器選項?！皫椭辈藛翁峁└觽渫鼏?，方便將其置于另一個顯示屏上或同一顯示屏的側(cè)邊。

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

器件庫和應用數(shù)據(jù)：……(詳盡介紹請見PDF文檔)

文件處理：……(詳盡介紹請見PDF文檔)

波形查看器：……(詳盡介紹請見PDF文檔)

仿真控制：……(詳盡介紹請見PDF文檔)

器件參數(shù)編輯器：……(詳盡介紹請見PDF文檔)

元器件選擇：……(詳盡介紹請見PDF文檔)

操作：……(詳盡介紹請見PDF文檔)

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FRA對話框設置

LTspice的FRA(Frequency Response Analysis)頻率響應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分析的非線性系統(tǒng)，比如開關(guān)電源和控制環(huán)路的設計及分析。FRA分析就是將FRA組件也就是頻率響應分析儀插入環(huán)路，通過注入一系列測試信號到閉環(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)建波特圖進行分析。簡而言之，F(xiàn)RA組件和指令可用于提供測試信號和分析。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)時是需要了解電路達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的啟動時間、 特定電路的目標頻率、 以及充分利用此分析所需的激勵信號幅度。

LTspice FRA設置

右擊頻率響應分析儀后顯示圖1設置對話框，通過此對話框進行控制分析參數(shù)的設置。對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、頻率設置、控制激勵信號幅度的設置、應用激勵的施加時間控制及時長和仿真所需時間的指示。完成所有參數(shù)設置后則會計算出仿真花費的時間。參數(shù)設置不同，仿真時間也不相同。

圖1. FRA設置對話框

1. 頻率設置：

(1) 激勵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)了設定值和波形關(guān)系?！?詳盡介紹請見PDF文檔)

(2) 激勵頻率部分可以設置最高步進頻率，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數(shù)據(jù)點，6KHz以上每倍頻程有4個點?！?詳盡介紹請見PDF文檔)

圖2. 頻率設置示例

2. 控制激勵信號幅值設置：

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

圖3. 幅值示例

3. “通用”對話框設置：

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

(2) 平均時間：可以平均掉開關(guān)噪聲，(100÷fsw)是較好的起點值。

(3) 建立時間：每次應用新激勵后將要等待的時間，軟件會丟棄開始分析前等待時間的這段數(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)在波形上的實際物理意義。

圖4. 通用對話框波形示意

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FRA 分析示例及步驟 FAR ANALYZE 如何充分利用LTspice FRA工具進行電路分析，步驟大致包含：準備電路、FRA元件插入環(huán)路、初值設置及運行、檢查瞬態(tài)波形、查看波特圖分析、優(yōu)化激勵、擴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域啟動行為。圖5所示將探針分別至于電路的開關(guān)節(jié)點、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，不帶外部補償，因此波形中無需查看控制電壓。

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圖5. FRA電路準備及仿真圖示例

2. FRA設備的放置

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

圖7是初始值設置的若干指導建議

設置兩到三個頻率：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;將分辨率設置為每倍頻程半個點?！?詳盡介紹請見PDF文檔)

pp0 =共模電壓的1%或2%，對于激勵信號幅度，Vpp0從共模電壓的1%或2%開始，本例中的Vpp0則是50mV?！?詳盡介紹請見PDF文檔)

建立時間和平均時間：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，如恒定導通時間、邊界模式等，因此務必留出充足的建立時間和平均時間?！?詳盡介紹請見PDF文檔)

添加指令：原理圖中添加.FRA仿真指令?！?詳盡介紹請見PDF文檔)

4. 波形分析

點擊運行按鈕，分析完成后將彈出時域圖形窗口和波特圖窗口，圖8時域波形顯示了輸出電壓，兩個端口壓差和電感電流。為了直觀了解具有外部補償?shù)目刂齐妷旱男螤?，選擇了具有外部補償?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的點被稱為交越頻率，以F0dB表示，按照經(jīng)驗值設定起始頻率Fstart和結(jié)束頻率Fend初始值，一般Fstart = f0dB÷8，F(xiàn)end = 2*f0dB進行設定，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信號幅度。低頻時低頻增益更高，因此需要更多信號;較高頻率時通常需要更少的信號以避免使電路進入非線性操作。

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7. 添加更多頻率

對初始頻率及時域和頻域結(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定：

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

結(jié)束頻率：Fend=(2~10)*f0dB

大步進頻率：Fcoarse = 2*Fstart

8. 加速FRA的方法

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

外部器件：不同輸出電容或不同補償元件的值可以加快分析運行速度;

提高步進頻率，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，默認值為1，將此值設置為2~4有助于改善仿真時間，但這也會提高失真敏感度。增加Nmax時，需要將波特圖與初始黃金波特圖進行比較;

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間應用了哪些諧波，這樣就可以看到哪些頻率是同時應用的;

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

縮短建立時間，建立時間發(fā)生在各激勵塊之間，建立時間縮短為(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設備結(jié)合使用以控制激勵。將FRA探頭添加到LTspice 24中以便識別FRA仿真中用于增益分析的節(jié)點。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-)這樣復雜的增益，O是環(huán)路輸出端，I是環(huán)路輸入端。這個復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。當然，探頭沒有配置參數(shù)，因為激勵是由頻率響應分析儀設備控制的。

反相輸出穩(wěn)壓器的分析：……(詳盡介紹請見PDF文檔)

反饋器件內(nèi)置模組：……(詳盡介紹請見PDF文檔)

電流反饋信號系統(tǒng)：……(詳盡介紹請見PDF文檔)

采樣反饋

對于采樣反饋系統(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隔離反激式轉(zhuǎn)換器，開關(guān)導通時通過LTspice采樣保持設備對反饋點采樣并通過FRA連續(xù)時間信號進行分析。 ……(詳盡介紹請見PDF文檔)

結(jié)束語

LTspice使用者用途各不相同，有用于電源和信號鏈的設計，有用于物理系統(tǒng)建模，也有用于電子教學目的，不論何種原因，ADI官方詳盡的指導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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