LTspice开关调节器的闭环控制

了解如何在LTspice中模拟具有电压控制PWM波形的开关电压调节器。

我最近的文章使用LTspice电路模拟来探索不同开关稳压器拓扑的功能和性能。这些文章集中在功率级上，功率级包含将输入电压转换为更高或更低输出电压的基本组件。

然而，只有当功率级与控制电路相结合时，它才能成为真正的调节器。该控制电路通过监测VOUT并调整控制开关的信号的占空比或频率来帮助维持指定的输出电压。输出电压被反馈到调节器中，并用于调节影响输出幅度的信号。当我提到闭环控制时，这就是我的意思。

在本文中，我将解释如何在LTspice中模拟闭环控制。然后我将用LTspice降压转换器演示它的应用。

在LTspice中创建可变工作循环

我之前文章中的每个模拟都包括一个脉宽调制（PWM）电压波形，该波形控制转换器的开关，从而影响输出电压相对于输入电压的大小。然而，这些模拟中的脉冲宽度仅在逐次运行的基础上进行调制。由于占空比是通过.param语句指定的，因此在每次模拟运行的整个过程中都必须保持恒定。

我通过使用.step参数来创建一个占空比列表，在多运行模拟过程中按顺序应用，从而在脉冲宽度中添加了更多的调制，但这距离真正可变的占空比还有很长的路要走，这样我们才能对开关稳压器进行高级动态分析。

在LTspice中创建电压控制或时间相关的占空比是可能的，尽管需要一些创造性。脉冲电压源功能的占空比由TPERIOD和TON字段确定，其中：

TPERIOD=重复波形的周期。

TON=每个周期内的ON（高）时间。

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

无论您是直接输入数字，还是为了方便使用.param语句，这些值基本上都是硬编码到模拟运行中的。

正因为如此，我们不能直接从电压源生成动态可变的占空比。相反，我们在模拟中这样做，使用多个源和一个比较器。

信号实施

图1中的LTspice功能块传达了我为可变占空比模拟创建PWM信号的方法。

LTspice功能块显示产生PWM信号的电压源。

图1。一种用于创建可变PWM信号的LTspice功能块。

让我们简单地看一下示意图的一些功能。

坡道和三角形

RAMP信号在模拟间隔期间从0V线性增加到5V。这种情况下的间隔是10毫秒，但您可以根据需要自由修改。

三角形信号在0和5V之间以1MHz的频率线性地增加和减少。我使用脉冲函数创建了一个三角形波，其导通时间可以忽略不计，上升和下降时间等于周期的一半。

行为电压源

B1是任意行为电压源。任意行为电压源的输出由自定义函数确定，在本示意图中，该函数可以转换为：如果斜坡信号的电压大于三角形信号的电压，则将B1的电压设置为5V；否则，将B1的电压设置为0V。本质上，B1起到理想化比较器的作用。

任意行为电压源在LTspice中被识别为B源。您可以通过在主LTspice库中搜索“bv”来找到我使用的组件。

最大时间步长

如果没有为此模拟指定最大时间步长，LTspice会选择一个值，该值会产生不可接受的长上升和下降时间，从而导致PWM信号严重失真。为了避免这种情况，我在.tran模拟命令中包含了10ns作为最大时间步长（.tran 0 10m 0 10n）。

10ns的最大时间步长产生清晰的波形，并且不会严重延长模拟时间。在我的电脑上，用默认时间步长运行模拟大约需要2.5秒，用10纳秒时间步长运行仿真大约需要5秒。

基本电路操作

上述配置产生PWM波形，其占空比在10ms内从0%到100%稳定变化。该电路中的基本动作模式如图2所示。

上图：脉宽调制电压。下图：斜坡电压（绿色）和三角形电压（蓝色）。

图2:上图：脉宽调制电压。下图：斜坡电压（绿色）和三角形电压（蓝色）。

因为斜坡信号的变化比三角信号慢得多，所以斜坡电压在三角波的一个周期内是稳定的。三角形迹线中位于斜坡迹线下方的部分对应于PWM信号的逻辑高部分，三角形迹线的位于斜坡迹线上的部分对应着PWM信号的低逻辑部分。

由于这个原因，在模拟间隔开始时占空比较低。随着斜坡电压逐渐增加，逻辑高时间也逐渐增加，直到占空比在模拟间隔结束时接近100%。从低占空比到高占空比的过程如下图3、4和5所示。注意相对于10ms模拟间隔的水平轴上的值。

LTspice图显示了低占空比下的电压控制电路行为。PWM电压为红色，斜坡电压为绿色，三角形电压为蓝色。

图3。低占空比下的电压控制电路行为。

LTspice图显示了在中等占空比下的电压控制电路行为。PWM电压为红色，斜坡电压为绿色，三角形电压为蓝色。

图4。中等占空比下的电压控制电路行为。

LTspice图显示了高占空比下的电压控制电路行为。PWM电压为红色，斜坡电压为绿色，三角形电压为蓝色。

图5。高占空比下的电压控制电路行为。

PWM信号的频率等于三角波的频率，斜坡、三角形和占空比（D）之间的数学关系很简单：D等于给定时刻的斜坡电压除以三角形信号的最大电压。

该公式假设三角形信号的最小电压为0V，并且斜坡信号不延伸到0V以下。

这种关系在图4中特别明显，其中斜坡信号为2.5 V。由于2.5 V是三角波最大电压的50%，PWM占空比为50%。

时间相关与电压控制PWM

本文中提出的电路在控制波形以不规则或不可预测的方式变化的情况下仍然有效。当我使用术语“电压控制”时，这就是我脑海中的波形类型。这也是我们期望的电压调节器输出节点反馈的波形类型。

严格地说，我们的电路总是产生电压控制的PWM信号。然而，我们可以通过指定一个相对于时间以简单一致的方式变化的控制电压（如VRAMP）来实现与时间相关的PWM信号的等效。

接下来，我们将使用电压控制PWM来提高降压转换器的VOUT精度。

创建具有闭环控制的LTspice降压转换器

图1包含电压源的组合，允许我们在模拟运行期间更改矩形波的占空比。当我们将此功能块与LTspice降压转换器集成时，反馈将帮助实际输出电压收敛到所需的输出电压。

如果我们可以使用电压来控制PWM占空比，我们就满足了创建闭环开关调节器电路的基本要求。但是，请注意，我们创建的电路仅用于演示和教学目的。它不会复制任何现实生活中的开关电源（SMPS）控制电路的细节。

此外，原理图中的几个数值是根据以前的经验选择的，并使用试错法进行调整。它们不是数学上严格的设计程序的结果，也没有经过彻底的优化。

方案和设计

图6中的LTspice示意图显示了降压转换器功率级与图1中的电压源相结合。稍后，我们将使用此示意图来运行模拟。

具有闭环控制的降压转换器的LTspice实现。

图6。具有闭环控制的降压转换器的LTspice实现。

让我们简单回顾一下新示意图中的功能块。

VTRIANGLE：该电压源生成三角波，作为PWM波形的基础。

VTIMER：这会产生一个电压，使其他电源在指定的时间长度后改变其行为，在这种情况下为4ms。

B2：这产生控制电压（VCONTROL），该控制电压通过电压源B1与VTRIANGLE进行比较以产生可变PWM信号。

B3：该电源产生误差电压。它是通过从实际输出电压（VOUT）中减去所需输出电压（VSET）而产生的。

B4：该电压源产生的输出电压是误差电压相对于时间的积分。它是使用LTspice的idt（）函数生成的。

电路行为

这里的目标是将12V的输入减少到6V的输出。降压转换器的理论占空比为D=VOUT/VIN。因此，该电路具有50%的初始占空比。

为了产生50%的占空比，控制电压（B2）必须从2.5V开始。然而，因为我想看到在同一曲线图上获得有反馈和没有反馈的输出电压，所以我设置了VTIMER，以便转换器在模拟的前4ms内以开环模式工作，之后以闭环模式工作。当闭环操作开始时，控制电压将发生变化。

闭环控制的目的是帮助VOUT在VSET上收敛。为了实现这一点，电路响应于误差电压（如前所述，它是VOUT和VSET之间的差）及其积分来修改控制电压。有关闭环系统中积分信号的目的的信息，请参阅我关于PID控制的文章。

现在，事不宜迟，让我们运行模拟。

仿真结果

图7说明了电路的操作。

具有闭环控制的降压转换器的LTspice电压仿真。初始输出电压大于设定电压。

图7。图6中降压转换器的操作。初始VOUT大于VSET。

开环操作（占空比为50%）导致VOUT=7 V。输出电压在t=4 ms时开始朝着所需值降低，此时闭环控制开始生效。误差电压导致初始阶跃下降，从而降低误差电压。一旦发生这种情况，误差电压的积分有助于输出电压继续接近设定电压。

如果我将负载电流更改为1000mA，开环输出电压将降至约4.7V。图8显示，当VOUT需要向设定电压增加而不是减少时，电路的功能类似。

具有闭环控制的降压转换器的LTspice电压仿真。初始输出电压小于设定电压。

图8。图6中降压转换器的操作。初始VOUT小于VSET。

总结

我希望这篇文章能让你深入了解闭环控制在开关模式电压调节中的应用，也许还能扩展你的LTspice技术。我认为这个电路可能是开发更复杂或更广泛的SMPS模拟的一个很好的起点。如果你碰巧这样做，请留言并告诉我们你学到了什么。