ADI - 使用LTspice進行工程電源和MEMS信號鏈模擬-設計應用

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本文為設計人員提供了使用LTspice模擬工程電源解決方案的背景和指導。對工程電源解決方案實施優(yōu)化后，可使用LTspice研究完整的MEMS信號鏈。有些傳感器具有數(shù)字輸出，有些傳感器則包含模擬輸出。對于包含模擬輸出的傳感器，可使用LTspice以及運算放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)甚至可用的MEMS頻率響應模型，模擬整個信號鏈。

多快好省

針對同一線路上共享電源和數(shù)據(jù)，目前有多種標準，包括針對數(shù)據(jù)線供電(PoDL)的IEEE802.3bu，以及針對以太網(wǎng)供電(PoE)的IEEE802.3af，采用帶有專用電源接口控制器。這些定義的標準通過檢測、連接檢查、分類和開/關(guān)故障監(jiān)測，提供了受控的安全電源連接。在安全供電情況下，功率水平范圍為幾瓦至幾十瓦。與適用于廣泛應用的標準化PoE/PoDL規(guī)范相反，術(shù)語“工程電源(EP)”是指定制的數(shù)據(jù)線供電設計，通常用于單個應用。例如，針對電機控制編碼器應用，HiperfaceDSL規(guī)范1將電源和數(shù)據(jù)耦合至同一線路。工程電源還可用于一些現(xiàn)代傳感器系統(tǒng)中。

一般的共享電源和數(shù)據(jù)接口經(jīng)過編碼，可減少信號直流成分，從而在發(fā)送交流信號成分時簡化系統(tǒng)設計。但是，許多數(shù)字輸出傳感器接口（例如，SPI和I2C）尚未經(jīng)過編碼，具有可變的信號直流成分，因此不是共享數(shù)據(jù)和電源設計的自然之選。對SPI或I2C進行編碼需要額外的微控制器，這會增加解決方案的成本和尺寸，如圖1所示。為了免去編碼和額外增加微控制器的麻煩，設計人員必須嘗試采用多快好省的辦法，這就需要仔細設計和模擬工程電源電路。工程電源電路由電感、電容和保護電路組成，一起構(gòu)成了一個濾波器。

圖1.MEMS傳感器的潛在工程電源解決方案，在傳感器解決方案尺寸和設計復雜性方面進行了權(quán)衡

工程電源背景

功率和數(shù)據(jù)通過電感電容網(wǎng)絡分布在一對電線上。高頻數(shù)據(jù)通過串聯(lián)電容與數(shù)據(jù)線路耦合，同時保護通信收發(fā)器免受直流母線電壓影響。主控制器上的電源通過電感器連接到數(shù)據(jù)線路，然后使用電纜遠端的子節(jié)點傳感器節(jié)點上的電感器進行濾波。

電感電容網(wǎng)絡將產(chǎn)生高通濾波器，因此耦合解決方案必須添加到不需要直流數(shù)據(jù)成分的數(shù)據(jù)線上。但是，有些接口未在物理層進行編碼以去除直流成分，例如，SPI。在這種情況下，系統(tǒng)設計人員需考慮很壞情況的直流成分場景，即數(shù)據(jù)幀中發(fā)送的所有位均為邏輯高電平（100%直流成分）。所選的電感還將具有指定的自諧振頻率(SRF)，超過該頻率時，電感值會下降，寄生電容會增加。這樣，工程電源電路將同時充當?shù)屯ê透咄V波器（帶通）?；谀M的建模可大大幫助系統(tǒng)設計人員了解該限制。

長距離移植SPI時，電纜和元件會影響系統(tǒng)時鐘和數(shù)據(jù)同步?？赡艿暮艽骃PI時鐘基于系統(tǒng)傳輸延遲設置，包括電纜傳輸延遲，以及主節(jié)點和子節(jié)點元件傳輸延遲。雖然本文未作進一步討論，但設計人員應意識到該額外限制，更多信息請參考文章“為工業(yè)4.0啟用可靠的基于狀態(tài)的有線監(jiān)控——第2部分”。2

圖2所示為簡化的工程電源電路，可用于進行濾波或下降電壓和下降時間分析。受數(shù)據(jù)線供電網(wǎng)絡電感的影響，通信總線電壓會下降，如圖3所示。電壓下降分析很重要，因為當電壓下降超過峰值電壓的99%時，網(wǎng)絡中會出現(xiàn)位錯誤?？蓪⑾到y(tǒng)設計為符合特定的電壓下降和時間下降規(guī)范。例如，1000BASE-T以太網(wǎng)假設500ns內(nèi)的電壓下降為27%，3如圖3所示。

圖2.工程電源，用于分析的簡化電路

圖3.電壓下降和下降時間

等式1至等式6提供電感值和電容值，以獲得目標電壓下降值和下降時間。假設在電壓下降期間，隔直電容間的電壓變化可忽略不計，則得出以下表達式，以求取串聯(lián)LR電路的電壓下降值：

基于目標下降、下降時間和電阻，該等式提供了求取電感的表達式：4

通過以下等式求出串聯(lián)RLC電路的阻尼比：

假設臨界阻尼系統(tǒng)的ζ=1，則給出了用于求取C的表達式：

代入上述求C和L的表達式，得出電路高通濾波器的截止頻率：

對于臨界阻尼系統(tǒng)：為什么使用LTspice來進行工程電源模擬？

使用LTspice進行工程電源模擬有幾個令人信服的原因，包括：

u真實電感模型，包括可使模擬與真實性能更緊密相關(guān)的器件寄生效應。LTspice庫中具有數(shù)以千計的電感模型，由眾多制造商（W?rth、Murata、Coilcraft和Bourns）提供。

u提供適用于ADI物理層通信收發(fā)器的LTspice模型以支持多種接口標準（CAN、RS-485），而其他半導體制造商通常不提供。

u靈活的LTspice波形查看器可用于對數(shù)據(jù)線供電設計進行快速的數(shù)值評估。

u與普通SPICE模擬器相比，借助LTspice的增強功能，模擬功耗器件（例如，LDO穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器）的速度非?？欤脩魞H需幾分鐘即可查看大部分開關(guān)穩(wěn)壓器的波形。

u現(xiàn)成LTspice演示電路減少了原理圖采集時間。

u有1000多種ADI功率器件模型、200多種運算放大器模型和ADC模型以及電阻、電容、晶體管和MOSFET模型，可供您用于完成剩余的設計部分。

使用LTspice進行下降分析

圖4提供了簡化的數(shù)據(jù)線供電模擬電路。該電路使用LTC2862RS-485收發(fā)器LTspice宏模型和1mH電感(W?rth74477830)。LTspice中的真實電感模型包括可使模擬與真實設計性能更緊密相關(guān)的器件寄生效應。隔直電容值為10F。一般來說，使用較大的電感值和電容值可降低通信網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)速率性能。模擬測試用例的數(shù)據(jù)速率為250kHz，這大致相當于通過RS-485接口移植時鐘同步SPI時100米的電纜通信2。模擬中使用的輸入電壓波形對應于很差情況的直流成分，其中包含16位字和所有邏輯高電平位。模擬結(jié)果如圖5和圖6所示。輸入電壓波形(VIN)與遠程受電器件的輸出相匹配（無通信錯誤）。圖6所示為用于進行下降分析的總線電壓差分波形（電壓A到電壓B）的放大圖。從L2電感中提取的遠程傳感器節(jié)點電壓提供5V1mV的電源軌。

圖4.使用LTC2862(RS-485)和1mHWrth電感74477830的工程電源LTspice模擬電路

圖5.RS-485總線差分電壓V(A,B)以及下降點X和Y的模擬結(jié)果

圖6.點X和Y的下降分析

使用圖5和圖6的LTspice波形測量VDROOP、VPEAK和TDROOP。然后，使用等式2和等式4計算L值和C值。如表1所示，計算出的L值為1mH至3mH，但該值可能因測量波形的位置而有所不同。在X點進行的測量很準確，產(chǎn)生了約為1mH的正確電感值。高通濾波器頻率（等式6）就是下降時間和電壓的函數(shù)，對于點X，1位（半個時鐘周期）的頻率約等于250kHz/32，與圖5所示的輸入波形(V3)相匹配。

運行圖4所示的模擬時，值得注意的是，建議使用C8電容來降低傳感器上的電壓過沖（功率提取節(jié)點上的VPOUT）。添加C8以后，過沖很大值為47mV，并且在1.6ms內(nèi)建立至所需5VDC的1mV以內(nèi)。在不使用C8電容的情況下進行模擬導致系統(tǒng)欠阻尼，過沖值為600mV，并且與5VDC目標存在100mV的yong久電壓振蕩。

C值為0.4μF至1μF，如表1所示。C值小于10F隔直電容值，因為電路包含額外的串聯(lián)電容（1F、100F），且可能出現(xiàn)過阻尼，這與等式1至等式6的計算相矛盾。

下降分析：使用VDROOP/VPEAK和TDROOP測定電路電感和電容

模擬點

LTspice波形實測值

使用等式1至等式6得出的計算值

VDROOP(V)

VPEAK(V)

VDROOP/

PEAK

TDROOP

(s)

R(Ω)

L(mH)

C(F)

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模擬更復雜的供電電路

在傳感器節(jié)點添加LDO穩(wěn)壓器或DC-DC轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)在標準工業(yè)電壓軌（例如，12VDC和24VDC）上從主節(jié)點供電。LDO穩(wěn)壓器或DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器的選擇取決于應用要求。如果應用使用12VDC電壓軌，則LDO穩(wěn)壓器可能適合用來實現(xiàn)超低噪聲性能，并且在傳感器子節(jié)點產(chǎn)生可接受的功耗。對于24VDC電壓軌，建議使用效率更高的DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器來降低功耗。ADI的低噪聲SilentSwitche架構(gòu)確?？蓪崿F(xiàn)更高的能效和低噪聲。

24VDC廣泛用于鐵路、工業(yè)自動化、航空航天和防務應用中。適用于鐵路用電子裝置的EN50155標準5規(guī)定了24VDC的標稱輸入電壓，但標稱輸入變化為0.7VIN至1.25VIN，規(guī)定的擴展范圍為0.6?VIN至1.4?VIN。因此，應用中使用的DC-DC器件需要14.4VDC至33.6VDC的較寬輸入范圍。

LTM8002SilentSwitcher?Module?穩(wěn)壓器采用6.25mm?6.25mmBGA封裝和3.4VDC至40VDC的較寬輸入范圍，非常適用于鐵路車輛監(jiān)控中所用的空間受限振動傳感器。

圖7復制了圖4的原理圖，增加了LTM8002，從主節(jié)點輸送至子節(jié)點傳感器的電源為24VDC。模擬顯示在LTM8002上達到所需5VDC?1%的輸出電壓需要1ms的斜坡時間。建議設計人員在上電時實施2ms至3ms時間延遲，然后再啟動主節(jié)點和子節(jié)點之間的通信。這將確保在傳感器節(jié)點輸出端獲得有效數(shù)據(jù)。

圖7.在傳感器子節(jié)點(LTM8002)使用ADI的低噪聲SilentSwitcher器件可為電源軌設計提供更大的靈活性

圖8.在VPOUT上達到所需5VDC的斜坡時間為1ms，2ms至3ms后在VOUT上獲得有效數(shù)據(jù)

完整的MEMS信號鏈模擬

ADI公司提供很多設計筆記，可幫助設計人員完成MEMS信號鏈設計，并使用LTspice進行模擬（參見圖9）。雖然很多MEMS均為數(shù)字輸出，但也有很多高性能傳感器具有模擬輸出。模擬運算放大器和ADC信號鏈可在完成硬件設計構(gòu)建之前提供有價值的見解。

如要分析低通濾波、放大器和ADC輸入對傳感器數(shù)據(jù)的影響，設計人員可參考GabinoAlonso和KrisLokere提供的LTspice基準電路。6可提供AD4002和AD400318位SARADC以及16位LTC2311-16的模擬模型。關(guān)于使用LTspice開發(fā)定制的模數(shù)轉(zhuǎn)換器模型，ErickCook提供了有用的實踐指南。7

有200多種運算放大器模型可供選擇，包括ADA4807和ADA4805系列?？商峁┗鶞孰妷汉昴Ｐ停ɡ?，ADR4525和LTC6655-5），以及ADA4807-1基準電壓緩沖器。

SimonBramble在他的一篇關(guān)于狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的文章中介紹了如何使用LTspice來分析振動數(shù)據(jù)的頻譜。8Simon的文章提供了關(guān)于格式化和分析捕獲的傳感器數(shù)據(jù)的有用提示。

圖10所示為ADXL1002低噪聲、50gMEMS加速度計頻率響應的LTspice模型示例。以LTspice拉普拉斯格式使用串聯(lián)LRC電路與MEMS頻率響應很接近。模擬模型與數(shù)據(jù)表典型性能保持較好的一致性，諧振頻率為21kHz，在11kHz時為3dB。對于交流分析，很好在LTspice中使用Laplace電路，但對于瞬態(tài)分析，應使用分立式RLC器件以獲得很佳模擬性能。

圖9.使用LTspice的完整傳感器信號鏈模擬（簡圖—未顯示所有連接和無源器件）

圖10.(a)MEMS頻率響應的Laplace模型，(b)圖顯示諧振頻率為21kHz，在11kHz時為3dB。

對于模擬輸出加速度計（例如，ADXL1002），帶寬的定義為對直流（或低頻）加速度的響應降至–3dB時的信號頻率。圖11復制了圖10的MEMS頻率響應模型，但還包括運算放大器的濾波器電路。使用該濾波器電路，可在3dB內(nèi)測量更多的MEMS頻率響應。該圖顯示，在17kHz時運算放大器的VOUT為3dB，而未濾波MEMS的輸出在11kHz時為3dB。

圖12包括MEMS輸入模型（圖10中的分立式RLC）、運算放大器濾波和16位LTC2311-16SARADC模型?？墒褂媚K化方法構(gòu)建和模擬完整的信號鏈，將有線接口和工程電源作為獨立的模塊添加。

對于瞬態(tài)模擬，可探測LTC2311-16DIGITAL_OUT節(jié)點，以查看對應于MEMS電壓輸入(VIN)的數(shù)字輸出?？尚薷腖TC2311-16LTspice模型，以減少串行時鐘和CNV接口時序，并且可將數(shù)字輸出基準OVDD更改為1.71V至2.5V范圍內(nèi)的任何值。一些RS-485收發(fā)器（例如，LTC2865）包括一個邏輯接口引腳VL，該引腳可在1.8V或2.5V下運行，從而為ADC數(shù)字輸出數(shù)據(jù)的有線流傳輸提供完美匹配。然后可使用LTC2865VCC引腳，在3.3V或5.0V下單獨為RS-485接口供電，以提供電壓更高的電纜驅(qū)動。

圖11.(a)MEMS頻率響應和濾波器模型，以及(b)推高至17kHz的3dB點（與11kHz下的圖10b相比）

圖12.MEMS輸入模型（圖10中的分立式RLC）、運算放大器濾波和16位LTC2311-16SARADC模型

圖13.MEMS模型的輸入電壓(VIN)和