使用LTspice仿真BUCK电源

LTspice仿真BUCK电源

要做DCDC很关键的一点就是理解电感是怎么回事,咱们先从电感的定义看.

电感的公式如下所示:

式1

看到当时间越长,当VL是一定的时候,随着时间的变长,则L上的电流IL越大,我们使用LTspice进行一个简单的仿真,验证结论是否正确.图1展示了仿真结果.

图1:电感电流仿真结果

我们还知道,电感电流是不能突变的,所以照理来说改变电感的感值,当感值越大,电感电流 的斜率越低,我们也仿真看看.见图2.

图2:1H电感的仿真结果

看结果符合我们预期,我们也大概明白电感是怎么一回事,于是我们拿电感构建一个BUCK电路.这里我们用到了Switch组件.来替代开关MOS如图3所示.

图3:基本BUCK电路

图4:仿真结果

看图4,当Vg打开时候S1上面有个带斜坡的方波这个斜坡是怎么来的呢?我们调出电感L1的电流波形如图5所示.

图5:电流波形

电感电流的最小值等于斜坡电流的最小值,电感电流的最大值等于斜坡电流的最大值,但S1中不仅包含了斜坡部分,还有一部分方波部分,这个方波部分就是电感的连续电流.如果我们把负载调低,则可能只剩下斜坡部分.

图6:负载等于100ohm时S1的电流波形

仿真结果也符合我们预期,知道了S1的波形怎么回事,咱们在看看续流二极管上的波形.如图7所示

图7:续流二极管电流波形(负载100ohm)

当Vg关闭时候续流二极管的电流开始上升,然后缓慢下降最终没有,到下一个波形在重复,打开L1的电流波形如图8所示,刚好就是电感电流的负半周

图8:电感与续流二极管波形

为什么说他是续流二极管,我们知道电感的电流波形不能突变,当S1打开时S1的电流先通过电感再到负载再到地.如图9所示.

图9:S1 打开时候电感电流路径

那当S1要关闭时候电感电流还是要朝着VOUT的方向流,这可咋办,于是电感电流继续朝VOUT流于是变成这样.

图10:S1关闭时候电感电流路径

通过以上,咱们大概熟悉电感是怎么一回事,咱们都知道电容是通交流隔直流,那么选不同的电容对输出有什么影响呢?咱们先把电感电流搞连续来测试电容对输出的影响.

图11:基本测试电路

测试代码:

给电容加点小小的ESR,将电容的ESR改成1ohm以后看看仿真结果如图12所示.

图12:1ohm ESR的仿真结果

发现ESR一增加输出的纹波显著上升,看到纹波的峰值和谷值和△IL刚好相对应,其实就是△IL*ESR 就≈纹波电压.为了改善纹波我们也可以增大电感量,咱们将电感设置成470uH看看纹波电压如何变化.一下子从300多mV的纹波降低到了70多mV的纹波如下图13所示.

图13:增加电感到470uH纹波电压

为啥加大电感能让纹波降低?回头看看公式1.当导通时间不变,电感大了那电感的上升斜率就变缓了,下降斜率也缓了,在这个周期里高低变化的幅度只有这么多.

所以除了改变电感大小,咱们也可以改变开关频率,来降低纹波咱们把开关频率从100K提升到333Khz设置如图14所示.并且把电感改回100uH此时纹波如图15所示降低到了100mV左右.刚好是3.3倍左右.

图14:V2设置

图15:开关频率等于333Khz时纹波电压

测试代码:

说到这,BUCK怎么回事大概有个概念,那今天就先聊到这里,拜拜~