基于 LTspice XVII 的低边开关 MOS 管及其短路保护仿真建模
LTSpice作为一款功能强大且完全免费的电路仿真软件,深受电子工程师和初学者的喜爱。LTSpice功能强大,网上使用教程非常丰富。目前LTSpice能支持ADI、LTC、Maxim的全线模拟器件,自带库丰富,还能导入其它厂商的Spice模型来支持其厂商的器件;本文通过LTSpice XVII进行低边开关 MOS 及其短路保护仿真模型设计带大家熟悉这款电路仿真软件和电路仿真验证。
一、熟悉LTSpice
(1)软件界面与基本操作
LTSpice的具有Windows风格界面简洁明了,主要分为文件菜单、编辑菜单、器件层级菜单、仿真菜单等;Toolbar有菜单栏、工具栏、器件选择栏等;主窗口为原理图编辑区和仿真波形显示区。如下图1所示:
图1:软件界面
以下是几个基本操作:
选择元器件:鼠标左键点击元器件库中的图标,拖到原理图编辑区。若取消选择,单击鼠标右键即可。
移动元器件:按F7键,鼠标左键移动器件;也可按F7键,鼠标左键拖拽器件;
旋转元器件:选中元器件后,按Ctrl+R键旋转/Ctrl+E键镜像。
撤销操作:按F9键可撤销上一步操作。
删除元器件:按F5键,鼠标左键器件可删除。
退出编辑状态:按ESC键可退出当前编辑状态。
(2)快捷键和实用技巧
LTSpice提供了丰富的快捷键(如图2),以提高用户的操作效率。除了上述基本操作外,还有一些实用技巧值得掌握:
快速连线:LTSpice支持快速连线功能,只需在需要连接的元器件之间拖动鼠标即可。
标注功能:可以在原理图或仿真波形上添加标注,以便更好地理解和分析电路。
新建器件:通过自定义或者元器件.Lib文件新建需要的元器件。
图2:快键键及电路Lable
(3)仿真和设置
LTSpice提供了多种仿真控件,用于设置电路的工作条件和仿真参数。以下是几个常用的仿真控件:
电压源:用于模拟电路中的电压信号,包括AC、DC、方波、正弦波等(如图3示)
图3:电压信号设置窗口
电流源:用于模拟电路中的电流信号。
仿真选择:在电路图下方的.tran处右键,可以选择瞬态、交流、直流扫描、直流瞬态等仿真类型(如图4示)。
图4:仿真设置窗口
运行仿真:点击工具栏中的运行按钮,开始仿真。
查看仿真波形:仿真完成后,鼠标左键单击选择需要查看的信号波形;在仿真结果波形窗口对波形、坐标刻度进行观察设置。
(4)实例演示与深入分析
以下以一个简单的RC分压滤波,演示如何使用LTSpice进行电路仿真:
1、搭建电路:从元器件库中选择所需的元器件(如二极管、电阻、电容等),并进行连接。
2、设置仿真参数:根据需要设置RC、电压源参数、仿真设置相关参数(如下图5)
图5:仿真电路及其设置
3、仿真结果:点击运行按钮开始仿真,并在仿真完成后查看各信号的波形图(如下图6)。通过分析波形图,可以了解到该RC分压的截止频率约700Hz。
图6:RC截止频率仿真结果
二、低边开关 MOS 与短路保护原理(1) 低边开关 MOS 管简介与应用
低边开关 MOS 管是常用的功率负载控制器件,核心拓扑为串联在负载与接地端之间,通过控制栅极电压(Vgs)控制漏源极(D-S)通断,实现负载供电管理。相比继电器、三极管,其具开关快、功耗低、寿命长的优势。多用于以下场景:
汽车电子:控制 12V/24V 系统负载(车灯、雨刮电机、车窗电机等)、工业车辆油泵电磁阀;耐受冲击电流,需搭配短路、过温保护。
工业控制:输出模块驱动电磁阀、接触器、继电器、传感器供电开关。
BMS系统:BMS系统上充放电接触器、加热继电器等。
(2) 低边开关 MOS 管工作原理
MCU 输出的 PWM 信号经过 驱动电路(可以根据实际项目选择合适自己的驱动IC)来驱动MOS管进行的导通关断,此时负载(感性负载)两端电压Ui=Duty*Ubatt+。如下图7所示:
图7:低边MOS开关原理图
(3) 短路保护反馈电路工作原理
在包含低边 MOS 开关的电路中,短路保护电路是至关重要的组成部分,其必要性体现在保护电路元件、确保系统稳定运行、降低安全风险等多个方面。尤其在使用环境恶劣的汽车电子、工业环境中,短路保护电路的作用更为凸显。如图8所示:带有短路保护的低边MOS开关电路。
短路保护反馈电路由检流电阻Rs,分压电阻R3、R4,以及滤波电容C2组成的检流电路;由高速比较器MAX999,滤波电路R5、C1,上拉电阻R2组成的比较电路;其中,检流电路将电流信号转换成比较器负极输入电压信号,换算公式Vfb=0.1427*Id+0.4795(R3=3.4K,R4=20K,Rs=0.25R)。
短路保护工作过程:当MOS的Id电流大于设置的OCP值,Vfb电压值大于OCP_Ref参考电压值,此时比较器输出由高电平变成低电平;当过流或者短路持续的情况下,由于Id电流突变导致比较器输出持续高低变化;此时一方面驱动输出被拉低,MOS管关闭,电流下降到设置的OCP电流值左右;另一方面MCU通过检测到Short_fb电平变化,收到过流或者短路信号反馈;进一步限制PWM输出,保护元器件不被损坏。
图8:带有短路保护的低边MOS开关电路
三、低边开关 MOS 及其短路保护电路仿真建模(1)仿真电路搭建
使LTSpice XVII将上图8中带有短路保护的低边MOS开关电路进行电路建模,比较器使用软件[Comparators]库中LT1720,仿真电路如下图9示;
图9:使用LT1720的低边MOS开关仿真电路
(2)导入器件模型
将实际电路中使用的比较器MAX999模型导入,仿真电路如下图10示:
图10:使用MAX999的低边MOS开关仿真电路
(4)仿真设置
瞬态仿真设置:设置仿真停止时间,初始化电源状态等,如下图12示。
图11:瞬态仿真设置
上电短路设置:通过设置PWM控制信号输出高电平时长大于1mS,来作为上电短路状态进行仿真;
图12:上电短路电压信号设置
工作短路设置:通过设置PWM控制信号输出为频率10KHz,占空比50%,来作为工作中短路状态进行仿真;
图13:工作短路电压信号设置
(5)仿真电路观测点
正常工作仿真结果曲线-Vfb、Short_fb、Id等
启动时短路仿真结果曲线-Vfb、Short_fb、Id等
工作中短路仿真结果曲线-Vfb、Short_fb、Id等
四、仿真结果与实际测试对比分析
(1)仿真观测波形与原理符合性
在正常工作状态下,对开关mos管回路和短路反馈回路的波形进行观测,结果显示,短路波形的变化趋势, 关键节点参数均与原理分析中的理论推导完全一致。这也验证了电路在正常工况下的设计合理性。
在启动短路场景中,观测到开关mos管的VG和VD虽被拉低,但未达到完全关断的状态。然而ID波形中却能降至零安。 同时,短路反馈回路的VFB反馈电压波形和Short “F B”短路反馈波形,以及触发时序与原理分析中的推论吻合 。
在工作短路场景中,和启动短路场景相对比。其波形是PWM输出零伏时正常工作场景和PWM输出高电平时启动短路场景的结合;即启动短路发生在PWM输出高电平时状态。
(2)仿真观测波形与实际测试符合性
下面两张示波器采集图分别记录了启动短路保护触发时和工作过程短路保护触发波形;上方波形为短路触发电平,对应Short “V F B”;绿色波形为PWM输出;下方蓝色是短路电流ID波形;
根据主控MCU的设定,当检测到十三次短路触发脉冲时,会立即截止PWM输出,以实现保护。从实际测试结果来看,无论是上电瞬间发生短路,还是在正常工作过程中突发短路,该保护机制均能准确,及时触发保护功能完全有效。
然而仿真中也存在一些差异,包括跟实际测试、理论推导相对比等。
(2)仿真差异分析
短路电流差异情况: 在仿真状态下,短路电流Id是类似方波形状,并且能够降低到0安,即MOS能够完全关断; 而实际状态下,四十八伏母线短路时,电流峰值达三安,而二十八伏母线短路时,电流峰值达七到八安,且波形为连续电流的三角波;
结合实际,认为差异原因主要有三点,一是仿真中mos管为理想开关管,因此,电流能够关断到零安。 其次,仿真中未考虑实际工作中的发热问题。而实际短路过程中MOS管剧烈发热,MOS的内阻、开启电压Vgth等自身参数会发生一定变化,影响短路电流。 三是短路电流在被限制下降后,低于“S C P V”REF设定之后,比较器会继续输出高电平,若此时短路未消除的情况下, 电流会继续上升,因此呈现锯齿或者三角波形更为合理。实际上确实为三角波;
图13:Id差异曲线
mos管工作状态差异:仿真中mos管可实现完全关断。而实际和仿真中,VG和VD都未完全拉到底。 这是因为实际电路中电流一旦降至比较器的阈值,比较器便会立即恢复,导致mos管无法完全关断, 进而进入线性工作区。在此状态下,mos管自身等效电阻增大发热量大增。若主控MCU未能及时截止输出,长时间的发热高温会导致mos管损坏,这也是实际电路设计中需要重点关注的风险点。如下图14所示
图14:短路保护过程中Vgs、Vds状
五、总结
本文基于 LTSpice XVII 软件构建了从软件基础操作到低边开关 MOS 短路保护仿真的完整设计体系。先熟悉软件操作与仿真设置,再结合器件特性及短路保护电路 “检流 - 比较 - 反馈” 原理,完成仿真建模与实际电路;结合仿真与实测数据对比,证实该模型在工程设计中有效,能精准复现保护逻辑且关键参数偏差可控。后续优化模型精细化、拓展工况,可进一步提升仿真对实际设计的指导价值,为低边开关 MOS 电路可靠性设计与故障预判提供高效低成本支撑,也为工程师用 LTSpice 开展类似功率器件保护仿真提供可复用实践框架。