使用LTspice进行工程电源和MEMS信号链仿真

事半功倍

存在几种标准用于在同一根电线上共享电源和数据。标准 包括用于数据线供电 （PoDL） 的 IEEE 802.3bu 和用于供电的 IEEE 802.3af 以太网 （PoE），带有专用电源接口控制器。这些定义 标准提供受控和安全的电源连接，具有检测、连接检查、分类和开/关故障监控功能。功率水平 功率范围从几瓦到几十瓦，具有安全的电力输送功能。与标准化的广泛应用 PoE/PoDL 规范相比，术语工程 电源 （EP） 是指定制的数据线供电设计，通常用于 单个应用程序。例如，Hiperface DSL 规范1夫妻力量 以及用于电机控制编码器应用的相同导线上的数据。工程 电源也可用于一些现代传感器系统。

对典型的共享电源和数据接口进行编码以减少信号直流 内容，允许在传输交流信号内容时简化系统设计。 然而，许多数字输出传感器接口（例如，SPI和I）2C） 是 未编码，具有可变信号直流成分，并且不适合 共享数据和电源设计。对 SPI 或 I 进行编码2C 需要额外 微控制器，这增加了解决方案的成本和尺寸，如图1所示。自 无需编码和添加微控制器，设计人员必须 尝试事半功倍 — 这需要仔细设计和模拟 工程电源电路。工程电源电路由电感器、 电容器和保护电路共同构成滤波器。

图1.MEMS传感器的可能工程电源解决方案，在传感器解决方案尺寸和设计复杂性方面进行权衡。

工程电源背景

电源和数据使用电感电容器网络分布在一对导线上。 高频数据通过串联电容器耦合到数据线，串联电容器 还可以保护通信收发器免受直流总线电压的影响。一个电源 通过连接到数据线的电感器连接到主控制器，并且 然后使用子节点传感器节点上的电感滤除电源 电缆的远端。

电感-电容网络将产生一个高通滤波器，因此耦合 必须将解决方案添加到不需要 DC 数据内容的数据线。 但是，某些接口未在物理层进行编码以消除直流 内容 - 例如 SPI。在这种情况下，系统设计人员需要考虑 最坏情况下的 DC 内容场景，其中所有位都在数据帧中传输 逻辑高电平（100% 直流成分）。所选电感器还将具有指定的 自谐振频率（SRF），超过该频率，电感值下降，并且 寄生电容增加。因此，工程电源电路将充当 低通和高通滤波器（带通）。基于仿真的建模可以 极大地帮助系统设计人员理解此约束。

长距离移植SPI时，电缆和组件会影响系统时钟 和数据同步。最大可能的SPI时钟由系统设置 传播延迟，包括电缆传播延迟以及主和 子节点组件传播延迟。虽然本文未讨论， 设计人员应了解此附加约束，并提供更多信息 请参阅文章“启用强大的有线状态监控 工业 4.0 — 第 2 部分。2

图2所示为简化的工程电源电路，可用于 用于滤波器或压降和压降时间分析。由于电感 数据线供电网络，通信总线电压会下降， 如图 3 所述。压降分析很重要，因为当电压下降时 超过峰值电压的99%，网络中会发生误码。一个系统可以是 设计用于满足特定的电压下降和时间下降规范。为 例如，1000BASE-T 以太网假设 500 ns 内电压下降 27%，3如图3所示。

图2.工程电源，简化的分析电路。

图3.电压下降和下降时间。

等式1至等式6提供的电感和电容值为 实现目标电压下降和下降时间。假设隔直电容两端的电压变化在下降期间可以忽略不计，则 对串联 LR 电路的压降产生以下表达式：

这提供了基于目标下降、下降 时间和阻力：4

串联RLC电路的阻尼比由下式给出：

假设临界阻尼系统的 ζ = 1 为 C 提供表达式：

电路高通滤波器截止频率由前 C 和 L 的表达式：

对于临界阻尼系统：

为什么使用LTspice进行工程功耗仿真？

使用LTspice进行工程功率仿真的令人信服的理由包括：

真实电感模型，包括器件寄生效应，以实现更紧密的关联 介于仿真和真实性能之间。数以千计的电感器型号是 在各种知名制造商的LTspice库中提供 如伍尔特、村田制作所、线艺、柏恩等。

ADI公司物理层通信收发器的LTspice模型 可用于支持各种接口标准（CAN、RS-485），这些标准 通常不由其他半导体制造商提供。

灵活的LTspice波形查看器允许快速进行数值评估 数据线供电设计。

LTspice增强意味着仿真功率器件，如LDO 稳压器和开关稳压器，与普通稳压器相比速度极快 SPICE仿真器，允许用户查看大多数开关的波形 只需几分钟即可调节器。

即用型LTspice演示电路缩短了原理图捕获时间。

ADI功率器件型号超过1000种，运算放大器超过200种 型号和 ADC 型号，以及电阻器、电容器、晶体管和 MOSFET 模型可完成其余设计。

使用LTspice进行下垂分析

图4提供了一个简化的数据线供电仿真电路。这 电路采用LTC2862 RS-485收发器LTspice宏模型和1 mH电感器 “（伍尔特74477830）。LTspice包括真正的电感器型号，其中包括器件 寄生效应，使仿真与实际设计之间具有更紧密的关联 性能。隔直电容值为10 μF。一般来说，使用较大的 电感和电容值可在通信网络上实现较低的数据速率性能。模拟测试用例是250 kHz的数据速率，大致 相当于 100 米的有线通信2 通过RS-485接口移植时钟同步SPI时。输入电压波形用于 仿真对应于最坏情况下的直流内容，具有 16 位字和所有逻辑 高位。仿真结果如图5和图6所示。输入 电压波形（V在） 与远程用电设备的输出匹配（否） 通信错误）。图6显示了总线电压的放大视图 用于下垂分析的差分波形（电压A到电压B）。电压 在远程传感器节点上，从 L2 电感器 （V（pout）） 中提取，提供 5 V ± 1 mV 电源轨。

图4.采用LTC2862 （RS-485）和1 mH伍尔特电感器74477830的工程功率LTspice仿真电路。

图5.RS-485总线差分电压V（A，B）和下降点X和Y的仿真结果。

图6.点 X 和 Y 的下垂分析。

五世下垂， V峰和 T下垂使用图5和图6LTspice测量 波形。然后使用公式2和公式4计算L和C值。 计算出的L值为1 mH至3 mH，如表1所示，但这可能会改变 取决于测量波形的位置。在X点测量最多 精度高，产生约1 mH的正确电感值。这 高通滤波器频率（公式6）只是下降时间和 电压，对于点 X，频率大约等于 250 kHz/32 1位（半时钟周期），与图5所示的输入波形（V3）匹配。

在运行图4所示的仿真时，值得注意的是，C8 建议使用电容器以减少传感器的电压过冲（V努在 电源提取节点）。添加C8后，过冲最大为47 mV和 在 1.6 ms 内建立到所需 5 VDC 的 1 mV 以内。模拟时没有 C8电容产生欠阻尼系统，具有600 mV过冲，以及 来自 5 VDC 目标的永久 100 mV 电压振荡。

C值为0.4 μF至1 μF，如表1所示。C 值小于 10 μF 隔直电容值，因为电路包含额外的串联电容（1 μF、100 μF），并且可能被过阻尼，这与 等式 1 至等式 6。

模拟点	在LTspice波形上测量				使用公式1至公式6计算
	V下垂（五）	V峰（五）	V下垂/V峰	T下垂（微秒）	R (Ω)	L （兆赫）	C （微法）
X	2.85	6.06	0.47	7.54	107	1.1	0.4
Y	5.14	6.06	0.85	63.6	107	3.6	1.2

使用 LTspice 仿真更复杂的供电电路

在传感器节点上添加LDO稳压器或DC-DC转换器可实现 从标准工业电压轨的主节点供电，例如 12 伏直流和 24 伏直流。LDO稳压器或DC-DC开关稳压器的选择 取决于应用要求。如果应用程序使用 12 VDC 电源轨， 那么LDO稳压器可能适用于超低噪声性能，并且具有 传感器子节点的可容忍功耗。对于 24 VDC 电源轨，更高的 建议使用高效DC-DC开关稳压器，以减少功率损耗。 ADI公司的低噪声静音开关电源架构意味着更高的功耗 可实现效率和低噪音。®

24 VDC广泛用于铁路，工业自动化以及航空航天和国防 应用。EN 50155 标准5对于铁路电子指定标称 输入电压为 24 VDC，但标称输入变化为 0.7 V在至 1.25 V在跟 0.6 × V 的扩展范围在至 1.4 × V在指定。因此，DC-DC设备用于 该应用需要 14.4 VDC 至 33.6 VDC 的宽输入范围。

LTM8002 静音开关器 μModule 稳压器非常适合于空间受限型稳压器 用于铁路机车车辆监测的振动传感器，尺寸为 6.25 mm × 6.25 mm BGA 封装和 3.4 VDC 至 40 VDC 宽输入范围。®

图7重复了图4原理图，增加了LTM8002和一个24 VDC 从主传感器向子节点传感器供电。仿真显示 1 ms 斜坡 LTM8002 上达到所需 5 VDC ± 1% 输出电压的时间。建议 设计人员在上电时实现2 ms至3 ms的时间延迟，在上电之前 启动主节点和子节点之间的通信。这将确保 传感器节点输出端的有效数据。

图7.在传感器子节点（LTM8002）上使用ADI公司的低噪声静音开关器件，为电源轨设计提供了更大的灵活性。

图8.在VPOUT上达到所需的5 VDC的斜坡时间为1 ms，在2 ms至3 ms后在VOUT上提供有效数据。

完整的MEMS信号链仿真

ADI公司有许多设计说明，可帮助设计人员完成 MEMS信号链设计并使用LTspice进行仿真（见图9）。虽然许多 MEMS是数字输出的，也有许多具有模拟输出的高性能传感器。仿真运算放大器和ADC信号链可以提供有价值的 完成硬件设计构建之前的见解。

图9.使用LTspice进行的完整传感器信号链仿真（简化图—未显示所有连接和无源元件）。

分析低通滤波、放大器和ADC输入对传感器的影响 数据，设计人员可以参考Gabino提供的LTspice基准电路 阿隆索和克里斯·洛克雷。6AD4002和AD4003的仿真模型 18位 提供 SAR ADC 以及 16 位 LTC2311-16。开发定制ADC 使用LTspice的模型，Erick Cook提供了一个很好的实用指南。7

提供200多种运算放大器型号，包括ADA4807和ADA4805系列。提供基准电压宏模型，如ADR4525和LTC6655-5，以及基准电压缓冲器ADA4807-1。

Simon Bramble描述了如何使用LTspice分析频率成分 他关于基于状态的监测系统的文章中的振动数据。8Simon 的文章包含格式化和分析捕获的传感器数据的有用提示。

图10显示了低噪声、±50 g MEMS加速度计ADXL1002频率响应的LTspice模型示例。在 LTspice Laplace格式是频率响应的良好近似值 的微机电系统。仿真模型与数据手册中的典型性能非常吻合，谐振频率为21 kHz，11 kHz时为3 dB。为 交流分析中，最好在LTspice中使用拉普拉斯电路，但对于瞬态分析，应使用分立式RLC元件以获得最佳仿真性能。

图 10.（a） MEMS频率响应的拉普拉斯模型，以及（b）显示21 kHz谐振和11 kHz时3 dB的图。

对于模拟输出加速度计，例如ADXL1002，定义了带宽 作为响应降至响应的 –3 dB 时的信号频率 到直流（或低频）加速度。图11重复MEMS频率 响应模型如图10所示，还包括一个运算放大器滤波电路。使用这个 滤波电路中，更多的MEMS频率响应可以在3 dB以内测量。 该图显示 V外运算放大器在17 kHz时为3 dB，而 未滤波的MEMS输出，在11 kHz时为3 dB。

图 11.（a）MEMS频率响应和滤波器模型，以及（b）推至17 kHz的3 dB点（与图10b在11 kHz时相比）。

图12包括MEMS输入模型（图10中的分立RLC），op 放大器滤波和 16 位 LTC2311-16 SAR ADC 模型。完整的信号链 可以使用模块化方法构建和仿真，具有有线接口和 工程电源作为独特的块添加。

图 12.MEMS输入模型（图10中的分立RLC）、运算放大器滤波和16位LTC2311-16 SAR ADC模型。

通过瞬态仿真，可以探测 LTC2311-16 DIGITAL_OUT节点 查看与MEMS电压输入（V在).这 LTC2311-16 LTspice 模型可进行修改以减小至串行时钟和 CNV接口时序和数字输出参考OVDD可以更改为 1.71 V至2.5 V范围内的任意电压。某些RS-485收发器（例如LTC2865）包括一个逻辑接口引脚VL，该引脚可在1.8 V或1.8 V或 2.5 V，为ADC数字输出数据的有线流提供完美匹配。 然后，RS-485接口可以使用 LTC2865 V抄送引脚，提供更高电压的电缆驱动器。

图 13.来自MEMS模型（VIN）的输入电压和滤波后的数字化输出电压（DIGITAL_OUT）。

参考MEMS和工程电源评估平台

ADI公司的有线状态监控平台提供工业级监控平台 用于ADcmXL3021三轴振动传感器的有线链路解决方案。硬件 信号链由ADcmXL3021加速度计组成，带SPI和中断 输出连接到接口 PCB，将 SPI 转换为 RS-485 物理层 与远程主控制器板长达数米的电缆连接。SPI 至 RS-485 可以使用隔离或非隔离接口实现物理层转换 PCB，包括耦合器隔离 （ADuM5401/ADuM110N0） 和 RS-485/RS-422 收发器（ADM4168E/ADM3066E）。该解决方案将电源和数据相结合 一根标准电缆（工程电源），可降低电缆和连接器成本 在远程MEMS传感器节点上。专用软件GUI支持ADcmXL3021器件的简单配置，并通过长电缆捕获振动数据。图形用户界面 软件支持数据可视化为原始时域或FFT波形。®

图 14.通过数据线供电进行有线振动监测。

结论

现代MEMS传感器解决方案体积小，集成度高，放置 靠近振动源测量振动频率。变化 频率随时间的变化表明振动源（电机、发电机、 等）。频率测量对于CbM至关重要。 使用工程电源 解决方案节省了MEMS传感器的连接器数量和电缆成本。LTspice是 功能强大且免费的仿真工具，可用于仿真工程电源 设计。数千种功率器件型号，包括 LTM8002 静音切换器 设备，可用于完成其余的设计。完整的MEMS信号 可以使用ADC、运算放大器和MEMS模型进行链仿真。

审核编辑：郭婷