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LTSPICE搭建Buck降压仿真电路

大家好，今天我们将用ADI所推出的电路仿真工具LTSPICE来搭建Buck降压电路，并实现电路的仿真，所用的主要元器件为NMOS管、二极管、电感等关键元器件。

1.项目要求

我们通过搭建Buck降压电路来实现对LTSPICE的实践学习，包括常用元器件的查找、电气线的连接、电路的搭建、仿真语法的学习、波形的观测等。

2.Buck降压电路的工作原理

Buck电路，也叫做降压式变换电路，可以将高电压转换为低电压，主要功能就是降低输入电压。今天所讲的Buck电路主要是指异步Buck电路，主要讲述其工作原理。

2.1 Buck电路的拓扑结构

Buck电路是DC/DC芯片常用的降压电路，输入电压范围比较宽，通过使用电感、二极管、电容等外围器件即可实现Buck电路最基本的拓扑结构，其拓扑结构如下图所示：

VIN是电压输入端，VOUT是降压输出端，Q1是开关MOS管，通过PWM实现开关MOS管的频繁通断、D1是续流二极管、L1是电感、C2是储能电容、RL是负载。Buck就是靠开关管频繁的通断来工作的，只要开关管的速度够快、控制好电感的充放电时间、选择合适的储能电容就可以得到稳定的VOUT输出。

注意一下就会发现，在DC/DC芯片的数据手册上都会介绍开关切换频率、推荐合适大小的电感。

2.2 Buck电路的调压过程

Buck电路的开关管，具有导通和关断两个工作状态，下面来分析两个工作状态下Buck的工作原理。

2.2.1开关管导通时Buck的工作原理

当开关管Q1导通时，二极管D1会因反向偏置而截止，此时二极管电流的为零。输入VIN电压加载电感上，电感电流线性上升，电能存储在电感和电容中，同时为负载RL提供供电。

2.2.2开关管关断时Buck的工作原理

当开关管Q1关断时，电感L1会产生反相的感应电动势导致续流二极管D1导通，电感L1通过二极管D1向负载RL释放能量，电感电流下降。

通过控制Q1导通和关断的时间，即可实现VOUT的稳定输出为负载供电，所以开关管Q1的切换频率和占空比就非常重要了。

假设输入电压为VIN，开关管的占空比为D，那么输出电压VOUT的计算公式为：

VOUT = VIN × D

当然这只是个理论值，实际中需要考虑开关管的开关时间、电感的损耗等，Buck降压电路具有非常负载的推到过程，这里我们只阐述其基本的工作原理。

3.LTSPICE搭建Buck降压电路

3.1 Buck降压电路所需要的元器件

前面已经介绍了Buck电路的工作原理，所用到的元器件有：

• NMOS：1颗，

• 电感：1颗

• 二极管：1颗

• 电容：11颗

• 电阻：1颗，用来模拟负载

3.2 新建LTSPICE原理图

需要提前安装好LTSPICE电路仿真软件，双击软件图标，打开软件。接下来，需要新建一个原理图，在菜单栏→File→New Schematic，或者快捷键Ctrl+N，选择Schematic，可以建立新的原理图，如下图所示。

注意，所有用到快捷键的操作都是在英文输入法的前提下，请将输入切换到英文输入法模式。

3.2.1 放置开关管

开关管用的是NMOS，NMOS的位置如下：菜单栏→Component，或者快捷键“P”，在弹出的对话框里搜索“NMOS”，会出现对话框，如下图所示。

点击“Place”后即可把NMOS放置到原理图中，在元器件未放置的情况下，可以按下Ctrl+R实现元器件方向的调节，如下图所示。

在MOS管上右键，会出现参数设置窗口，选择“Pick New MOSFET“，在弹出的对话框中选择一个MOS模型，这里我们选择”BSC0906NS“，点击OK。

3.2.2 放置电感并设置电感参数

在菜单栏找到电感符号，点击后即可出现电感，可以用Ctrl+R调节方向，右键电感，会出现电感设置参数的窗口，电感值设置为10mH，也可以点击“Select Inductor”选择电感，如下图所示。

3.2.3 放置二极管

在菜单栏找到二极管符号，点击后即可出现二极管，可以用Ctrl+R调节二极管方向，如下所示。

3.2.4放置电阻并设置电阻参数

在原理图中，按下快捷键R，可以快速放置电阻。在电阻未放置的情况下，按下快捷键Ctrl+R可以调节电阻的方向。在电阻上右键，会弹出参数设置界面，电阻的参数设置如下：

• Resistor[Ω]：100K

• Tolerance[%]：1

• Power Rating[W]: 1

或者点击“Select Resistor”在弹出的电阻列表中选择100KΩ的电阻，如下图所示。

电阻R1在本设计中用来模拟负载。

3.2.5 放置电容并设置电阻参数

这里我们会用到极性电解电容，而菜单栏中只有陶瓷电容，那如何放置极性电容呢？在菜单栏中选择“Component”，在弹出的对话框中填入“pol“即可出现polcap，点击Place后，点解电容即被放置在了原理图中，如下图所示。

在放置好的电解电容上右键，在弹出的对话框中将电容值设置为“10u“，或者选择”Select Capacitor“，在新弹出的对话框中选择10uF的电容，如下图所示。

3.2.6 添加直流电源

元器件要工作，必须要电源，在菜单栏中点击“Voltage Source”符号，或者快捷键V，则可以调出电压源，在电压源上右键，即可弹出对话框设置参数，将电压设置为10V，如下图所示。

3.2.7 添加控制开关管的直流电源/PULSE语句详解

Buck电路是通过频繁通断开关管来实现降压的，那如何保证开关管按照一定的频率、一定的占空比来实现导通和关断呢？这就需要对开关管的Gate极加入开关信号，这个开关信号是通过脉冲信号来实现的。

按照前面的介绍添加电压源，在电压源上右键，选择“Advanced“，在弹出的对话框中选择”PULSE”脉冲信号，PULSE 是用于定义电压源或电流源的函数，主要用于模拟脉冲信号。以下是其用法介绍和设置值：

语法及参数含义

PULSE(Vinitial Vfinal Tdelay Trise Tfall Ton Tperiod)

设置如下参数，并解释含义：

• Vinitial[V]:0，脉冲起始电平，即低电平电压。

• Von[V]:10V，脉冲结束电平，即高电平电压。

• Tdelay[s]:0，延迟时间，在此时间内输出保持初始值。

• Trise[s]:1ns，上升沿持续时间，从Vinitial到Vfinal的过渡时间。

• Tfall[s]:1ns，下降沿持续时间，从Vfinal返回到Vinitial的过渡时间。

• Ton[s]:5000ns，高电平维持的时间长度。

• Tperiod[s]:10000ns，总周期，即重复一次所需的时间。

设置过程如下图所示。

点击”OK”后，即在电压源旁边出现一条语句：

PULSE(0 10V 0 1ns 1ns 5000ns 10000ns)

这条语句就是用来设置脉冲信号参数的，将会在后面详解这条语句。

3.2.8导线连接元器件

元器件放置好后，需要用导线将引脚实现电气连接，在英文输入法下按下快捷键W，或者在菜单栏点击“wire”符号，可以切换为画线模式，此时鼠标会变为十字虚线，点击元器件的引脚即可画线，所画的线具有电气连接属性，如下图所示。

最终，连接好的电路图如下图所示。

3.2.9设置网络标签

在原理图中，网络标签是带有电气连接属性的，如果两个网络标签相同，那么代表这两个网络标签所在的引脚相当于是用导线连接到一起的。下面给需要观测波形的地方设置网络标签。

点击菜单栏的”Net”，或者英文输入法模式下按下快捷键N，即可设置网络标签，此时会弹出对话框，在对话框中输入标签名字，再点击“OK”即可把标签放置到想要设置的导线或者引脚上，如下图所示。

我们把网络标签起名为“VOUT”，并放置在电压输出导线上。

3.2.10 .tran语句

下面就要开始仿真了，在仿真之前，需要设置运行时长和波形观测点，需要用到.tran语句。

.tran 语句用于配置瞬态分析（Transient Analysis），即模拟电路在随时间变化的输入信号下的动态响应。该语句控制仿真的时间范围、步长和精度，是时域分析的核心配置指令。

. tran的基本语法

. tran <stop-time> [start-time] [step- time] [UIC] [options]

• 必选参数：

• <stop-time>：仿真的总时间，需要带单位，如s、ms、us、ns。

• 可选参数：

• [start-time]：仿真开始记录数据的时间（默认从 0 开始）。

• [step- time]：数据采样步长（控制仿真精度，默认自动计算）。

• [UIC]: 全称“Use Initial Conditions”，表示使用元件初始条件，需要 提前在元件属性中设置IC参数，如电容电压、电感电流等。

• [options]：其他选项。

.tran举例：

.tran 10m  ： 仿真 10 毫秒

.tran 10m 0 1u  ： 从0开始运行10ms，最大步长为 1us

我们将仿真时长设置为1000ms，语句为：.tran 1000m。点击菜单栏的.ac图标可以设置参数，如下图所示。

3.2.8 仿真结果

运行仿真结果的操作方法如下：

• 点击菜单栏上绿色三角形的仿真按钮；

• 右键→点击绿色三角形的仿真按钮；

不管哪种途径，点击绿色的按钮后就可以开始仿真了。

仿真时需要往波形窗口中添加信号，在右侧的原理图窗口中将鼠标放到所要观测的导线、引脚或者标签上，等待鼠标变成红色的笔后，点击一下，即可把信号添加到左侧的观察窗口了，在窗口中添加开关管Gate的信号和VOUT的信号，所观测到的波形如下图所示。

至此，通过Buck降压电路，我们就初步掌握了LTSPICE的使用方法。