LTspice是模擬電子電路的有力工具。 它可以執行簡單的模擬來驗證新設計的功能。 該工具還在短時間內完成復雜的分析,如最壞情況分析、頻率響應或噪聲分析等。
LTspice在模擬噪聲和濾波器方面也很有用。 濾波器是電路中許多應用的關鍵元件。 特別是采用電磁兼容(EMC)濾波器來降低噪聲和干擾。 為了在模擬中獲得準確的結果,需要考慮實際的電路現象。 寄生參數在濾波器中起著關鍵作用,因為它們可以激發相反的效果例如有可能會放大噪聲。
在本文中,我們將回顧電路中存在的不同類型的噪聲。 然后我們將討論如何用LTspice對EMC濾波器進行精確的仿真。
共模噪聲和差分噪聲
在設計有效的濾波器之前,我們需要知道電路中可能存在什么樣的噪聲。 下面是一個簡單的電路,將有助于解釋這兩種類型的噪聲。
電壓源V1產生的電流將流過R1。 然后它將返回到源端(即接地端或參考電壓端)。
電壓源V1產生的電流將流過R1
在理想條件下,電路中唯一存在的電流和電壓將由源V1產生。 如下圖所示,與此電流方向相同的噪聲稱為差模噪聲。
差模噪聲
第二種情況是出現共模噪聲。 在這種情況下,噪聲電流的方向與從負載回流到源端的返回電流的方向相反。
共模噪聲
為了有效地防止干擾,濾波器需要考慮兩種類型的噪聲。 所選擇的部件及其位置取決于要衰減的噪聲類型。
在LTspice中繪制Bode(伯德)圖
最有趣的分析之一,LTspice可以執行的是頻率分析,也稱為交流(AC)分析。 我們可以用一個簡單的低通濾波器來看到它的功能。
在LTspice中繪制Bode(伯德)圖的示例
對于交流(AC)分析,我們需要定義一個交流源。 在LTspice中,可以為電壓源配置各種參數,但幅度需要足以滿足我們的仿真目的。 我們還需要配置四個仿真參數。
運行仿真后,我們可以繪制出相對于輸入的輸出電平,即濾波器傳遞函數。 有兩條線:一條連續對應的是幅度響應,而一條不連續的線對應的是相位響應。 我們可以看到,濾波器響應基本上是平坦的,直到接近截止頻率(本文的示例如下):
Bode(伯德)圖
在LTspice中仿真模擬噪聲和濾波器
澄清LTspice的這方面是很重要的。 該軟件使用噪聲類型的仿真來模擬元件固有的噪聲。 這種類型的模擬適合于驗證電路的功能,如模擬濾波器。 為了EMC的設計目的,我們需要模擬共模和差模噪聲,所以我們需要確保我們的濾波器對兩種噪聲類型都是有效的。
以下電路是由電容器和共模扼流圈組成的EMC濾波器,以衰減共模噪聲(C4,C1,L3);另外, 它還包括兩個電感和電容器來衰減差分噪聲(L1,L2,C2,C3)。
為了模擬保護接地(PE)或底盤連接,我們使用通過非常小的電容耦合到規則接地或負電位上。
為了模擬差分噪聲,我們可以在信號發生器上疊加一個電壓源。
對于共模噪聲的情況,可以通過在回流路徑中添加一個電壓源來模擬。
當對這兩種類型的噪聲都足夠衰減時,濾波器才是足夠設計的,所以盡量避免完全聚焦于一種噪聲而忽略另一種噪聲。
理想的與現實的EMC濾波器
不幸的是,現實的濾波器的行為不如理想的濾波器。 如果我們想要接近實際結果的仿真模擬,我們需要考慮濾波器的寄生元件和安裝它們的PCB板的影響。
寄生元件產生共振,可以改變EMC濾波器的截止頻率。 因此,如果我們不考慮寄生,我們可能會觀察到添加濾波器反而會使情況更糟。
知道每個寄生元素的確切值可能很困難。 這些信息有時可以從數據表(Datasheet)中獲得,但如果有必要,也可以使用估計值。
下面的原理圖顯示了相同的EMC濾波器,只不過在前面的設計中添加了一些寄生參數的影響。
理想濾波器(黑色)和真實的濾波器(紅色)的頻率響應比較如下所示。
理想濾波器的頻率響應隨著頻率的增加而平穩下降,但實際濾波器不表現出相同的行為。 從大約40kHz開始,它產生的衰減比理想濾波器小。 因此,當我們逼近一個真實的環境時,我們可以看到性能發生了很大的變化。
注意:下載LTspice模型時,應該反復檢查器件模型中包含了什么。 有時它們已經包含了所有的寄生元素,這樣可以節省大量的工作。
自諧振和阻尼振蕩
濾波器的自諧振可以通過幾個dB放大噪聲,從而引起不想要的效果。 有一些方法可以避免這種情況,或者至少盡可能減少負面影響。 其中一個是相當簡單的,包括添加一個電阻與電容器串聯,如下圖所示。
電阻器的值不需要巨大。 我們只需要小心它的功率等級。 電容器通常不受歡迎的一個方面是等效串聯電阻(ESR)。 然而,在這種情況下,我們可以選擇一個高ESR的電容器,從而避免使用額外的電阻器。
下圖顯示了一個沒有阻尼電阻(紅色)的濾波器和另一個濾波器的傳遞函數,對應于具有阻尼電阻(藍色)的濾波器)。
它們之間的差異是顯著的-諧振頻率周圍的振幅降低了9dB。 這種技術的缺點是濾波器衰減斜率不太明顯,因此必須對所有的頻率行為進行分析,以確保所有的濾波結果都是可以接受的。
結論
LTspice是在許多應用程序中節省成本和時間的強大工具。 例如,需要專門為每個應用設計的EMC濾波器,因此預先模擬它們可以節省大量時間。
LTspice執行頻率分析,允許工程師生成bode圖,這是研究濾波器器的主要工具。 LTspice還可以包括真實的參數,如寄生,以獲得盡可能真實的仿真模擬結果。
責任編輯人:CC?
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