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)壓器拓撲的功能和性能。這些文章集中在功率級上，功率級包含將輸入電壓轉(zhuǎn)換為更高或更低輸出電壓的基本組件。

然而，只有當功率級與控制電路相結(jié)合時，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。當我提到閉環(huán)控制時，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模擬都包括一個脈寬調(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行的基礎(chǔ)上進行調(diào)制。由于占空比是通過.param語句指定的，因此在每次模擬運行的整個過程中都必須保持恒定。

我通過使用.step參數(shù)來創(chuàng)建一個占空比列表，在多運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，這樣我們才能對開關(guān)穩(wěn)壓器進行高級動態(tài)分析。

在LTspice中創(chuàng)建電壓控制或時間相關(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=每個周期內(nèi)的ON（高）時間。

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行中的。

正因為如此，我們不能直接從電壓源生成動態(tài)可變的占空比。相反，我們在模擬中這樣做，使用多個源和一個比較器。

信號實施

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

LTspice功能塊顯示產(chǎn)生PWM信號的電壓源。

圖1。一種用于創(chuàng)建可變PWM信號的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)建了一個三角形波，其導(dǎo)通時間可以忽略不計，上升和下降時間等于周期的一半。

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：如果斜坡信號的電壓大于三角形信號的電壓，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。

最大時間步長

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

10ns的最大時間步長產(chǎn)生清晰的波形，并且不會嚴重延長模擬時間。在我的電腦上，用默認時間步長運行模擬大約需要2.5秒，用10納秒時間步長運行仿真大約需要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（藍色）。

因為斜坡信號的變化比三角信號慢得多，所以斜坡電壓在三角波的一個周期內(nèi)是穩(wěn)定的。三角形跡線中位于斜坡跡線下方的部分對應(yīng)于PWM信號的邏輯高部分，三角形跡線的位于斜坡跡線上的部分對應(yīng)著PWM信號的低邏輯部分。

由于這個原因，在模擬間隔開始時占空比較低。隨著斜坡電壓逐漸增加，邏輯高時間也逐漸增加，直到占空比在模擬間隔結(jié)束時接近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，三角形電壓為藍色。

圖5。高占空比下的電壓控制電路行為。

PWM信號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等于給定時刻的斜坡電壓除以三角形信號的最大電壓。

該公式假設(shè)三角形信號的最小電壓為0V，并且斜坡信號不延伸到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。當我使用術(shù)語“電壓控制”時，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)點反饋的波形類型。

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

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，允許我們在模擬運行期間更改矩形波的占空比。當我們將此功能塊與LTspice降壓轉(zhuǎn)換器集成時，反饋將幫助實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，請注意，我們創(chuàng)建的電路僅用于演示和教學(xué)目的。它不會復(fù)制任何現(xiàn)實生活中的開關(guān)電源（SMPS）控制電路的細節(jié)。

此外，原理圖中的幾個數(shù)值是根據(jù)以前的經(jīng)驗選擇的，并使用試錯法進行調(diào)整。它們不是數(shù)學(xué)上嚴格的設(shè)計程序的結(jié)果，也沒有經(jīng)過徹底的優(yōu)化。

方案和設(shè)計

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

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

圖6。具有閉環(huán)控制的降壓轉(zhuǎn)換器的LTspice實現(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：這會產(chǎn)生一個電壓，使其他電源在指定的時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進行比較以產(chǎn)生可變PWM信號。

B3：該電源產(chǎn)生誤差電壓。它是通過從實際輸出電壓（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于時間的積分。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，因為我想看到在同一曲線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。當閉環(huán)操作開始時，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。為了實現(xiàn)這一點，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)中積分信號的目的的信息，請參閱我關(guān)于PID控制的文章。

現(xiàn)在，事不宜遲，讓我們運行模擬。

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時開始朝著所需值降低，此時閉環(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VOUT需要向設(shè)定電壓增加而不是減少時，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，也許還能擴展你的LTspice技術(shù)。我認為這個電路可能是開發(fā)更復(fù)雜或更廣泛的SMPS模擬的一個很好的起點。如果你碰巧這樣做，請留言并告訴我們你學(xué)到了什么。