使用LTspice進(jìn)行工程電源和MEMS信號鏈模擬

摘要

本文為設(shè)計(jì)人員提供了使用LTspice®模擬工程電源解決方案的背景和指導(dǎo)。對工程電源解決方案實(shí)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(yùn)算放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)甚至可用的MEMS頻率響應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)，包括針對數(shù)據(jù)線供電(PoDL)的IEEE 802.3bu，以及針對以太網(wǎng)供電(PoE)的IEEE 802.3af，采用帶有專用電源接口控制器。這些定義的標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)，通常用于單個應(yīng)用。例如，針對電機(jī)控制編碼器應(yīng)用，Hiperface DSL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(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)的自然之選。對SPI或I2C進(jìn)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(shè)計(jì)人員必須嘗試采用多快好省的辦法，這就需要仔細(xì)設(shè)計(jì)和模擬工程電源電路。工程電源電路由電感、電容和保護(hù)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(shè)計(jì)復(fù)雜性方面進(jìn)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(luò)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(hù)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(yuǎn)端的子節(jié)點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)上的電感器進(jìn)行濾波。

電感電容網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行編碼以去除直流成分，例如，SPI。在這種情況下，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需考慮最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(dāng)?shù)屯ê透咄V波器(帶通)?；谀M的建?？纱蟠髱椭到y(tǒng)設(shè)計(jì)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?？赡艿淖畲骃PI時鐘基于系統(tǒng)傳輸延遲設(shè)置，包括電纜傳輸延遲，以及主節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)元件傳輸延遲。雖然本文未作進(jìn)一步討論，但設(shè)計(jì)人員應(yīng)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”。

圖2所示為簡化的工程電源電路，可用于進(jìn)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(luò)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?yàn)楫?dāng)電壓下降超過峰值電壓的99%時，網(wǎng)絡(luò)中會出現(xiàn)位錯誤?？蓪⑾到y(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)500 ns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(biāo)電壓下降值和下降時間。假設(shè)在電壓下降期間，隔直電容間的電壓變化可忽略不計(jì)，則得出以下表達(dá)式，以求取串聯(lián)LR電路的電壓下降值：

基于目標(biāo)下降、下降時間和電阻，該等式提供了求取電感的表達(dá)式：4

通過以下等式求出串聯(lián)RLC電路的阻尼比：

假設(shè)臨界阻尼系統(tǒng)的ζ = 1，則給出了用于求取C的表達(dá)式：

代入上述求C和L的表達(dá)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(jìn)行工程電源模擬?

使用LTspice進(jìn)行工程電源模擬有幾個令人信服的原因，包括：

? 真實(shí)電感模型，包括可使模擬與真實(shí)性能更緊密相關(guān)的器件寄生效應(yīng)。LTspice庫中具有數(shù)以千計(jì)的電感模型，由眾多知名制造商(Würth、Murata、Coilcraft和Bourns)提供。

? 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(biāo)準(zhǔn)(CAN、RS-485)，而其他半導(dǎo)體制造商通常不提供。

? 靈活的LTspice波形查看器可用于對數(shù)據(jù)線供電設(shè)計(jì)進(jìn)行快速的數(shù)值評估。

? 與普通SPICE模擬器相比，借助LTspice的增強(qiáng)功能，模擬功耗器件(例如，LDO穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器)的速度非常快，用戶僅需幾分鐘即可查看大部分開關(guān)穩(wěn)壓器的波形。

? 現(xiàn)成LTspice演示電路減少了原理圖采集時間。

? 有1000多種ADI功率器件模型、200多種運(yùn)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(shè)計(jì)部分。

使用LTspice進(jìn)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LTC2862 RS-485收發(fā)器LTspice宏模型和1 mH電感(Würth 74477830)。LTspice中的真實(shí)電感模型包括可使模擬與真實(shí)設(shè)計(jì)性能更緊密相關(guān)的器件寄生效應(yīng)。隔直電容值為10 μF。一般來說，使用較大的電感值和電容值可降低通信網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)速率性能。模擬測試用例的數(shù)據(jù)速率為250 kHz，這大致相當(dāng)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(yīng)于最差情況的直流成分，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(yuǎn)程受電器件的輸出相匹配(無通信錯誤)。圖6所示為用于進(jìn)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(yuǎn)程傳感器節(jié)點(diǎn)電壓提供5 V±1 mV的電源軌。

圖4.使用LTC2862 (RS-485)和1 mH Würth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(diǎn)X和Y的模擬結(jié)果

圖6.點(diǎn)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(jì)算L值和C值。如表1所示，計(jì)算出的L值為1 mH至3 mH，但該值可能因測量波形的位置而有所不同。在X點(diǎn)進(jìn)行的測量最準(zhǔn)確，產(chǎn)生了約為1 mH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(diǎn)X，1位(半個時鐘周期)的頻率約等于250 kHz/32，與圖5所示的輸入波形(V3)相匹配。

運(yùn)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(diǎn)上的VPOUT)。添加C8以后，過沖最大值為47 mV，并且在1.6 ms內(nèi)建立至所需5 VDC的1 mV以內(nèi)。在不使用C8電容的情況下進(jìn)行模擬導(dǎo)致系統(tǒng)欠阻尼，過沖值為600 mV，并且與5 VDC目標(biāo)存在100 mV的永久電壓振蕩。

C值為0.4 μF至1 μF，如表1所示。C值小于10 μF隔直電容值，因?yàn)殡娐钒~外的串聯(lián)電容(1 μF、100 μF)，且可能出現(xiàn)過阻尼，這與等式1至等式6的計(jì)算相矛盾。

表1.下降分析：使用VDROOP/VPEAK和TDROOP測定電路電感和電容

使用LTspice模擬更復(fù)雜的供電電路

在傳感器節(jié)點(diǎn)添加LDO穩(wěn)壓器或DC-DC轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電壓軌(例如，12 VDC和24 VDC)上從主節(jié)點(diǎn)供電。LDO穩(wěn)壓器或DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器的選擇取決于應(yīng)用要求。如果應(yīng)用使用12 VDC電壓軌，則LDO穩(wěn)壓器可能適合用來實(shí)現(xiàn)超低噪聲性能，并且在傳感器子節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生可接受的功耗。對于24 VDC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Silent Switcher®架構(gòu)確?？蓪?shí)現(xiàn)更高的能效和低噪聲。

24 VDC廣泛用于鐵路、工業(yè)自動化、航空航天和防務(wù)應(yīng)用中。適用于鐵路用電子裝置的EN 50155標(biāo)準(zhǔn)5規(guī)定了24 VDC的標(biāo)稱輸入電壓，但標(biāo)稱輸入變化為0.7 VIN至1.25 VIN，規(guī)定的擴(kuò)展范圍為0.6 × VIN至1.4 × VIN。因此，應(yīng)用中使用的DC-DC器件需要14.4 VDC至33.6 VDC的較寬輸入范圍。

LTM8002 Silent Switcher μModule®穩(wěn)壓器采用6.25 mm × 6.25 mm BGA封裝和3.4 VDC至40 VDC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(fù)制了圖4的原理圖，增加了LTM8002，從主節(jié)點(diǎn)輸送至子節(jié)點(diǎn)傳感器的電源為24 VDC。模擬顯示在LTM8002上達(dá)到所需5 VDC±1%的輸出電壓需要1ms的斜坡時間。建議設(shè)計(jì)人員在上電時實(shí)施2 ms至3 ms時間延遲，然后再啟動主節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)之間的通信。這將確保在傳感器節(jié)點(diǎn)輸出端獲得有效數(shù)據(jù)。

圖7.在傳感器子節(jié)點(diǎn)(LTM8002)使用ADI的低噪聲Silent Switcher器件可為電源軌設(shè)計(jì)提供更大的靈活性

圖8.在VPOUT上達(dá)到所需5 VDC的斜坡時間為1 ms，2 ms至3 ms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(shè)計(jì)筆記，可幫助設(shè)計(jì)人員完成MEMS信號鏈設(shè)計(jì)，并使用LTspice進(jìn)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(yùn)算放大器和ADC信號鏈可在完成硬件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)人員可參考Gabino Alonso和Kris Lokere提供的LTspice基準(zhǔn)電路。6可提供AD4002和AD4003 18位SAR ADC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，Erick Cook提供了有用的實(shí)踐指南。7

有200多種運(yùn)算放大器模型可供選擇，包括ADA4807和ADA4805系列?？商峁┗鶞?zhǔn)電壓宏模型(例如，ADR4525和LTC6655-5)，以及ADA4807-1基準(zhǔn)電壓緩沖器。

Simon Bramble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。8 Simon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、±50 g MEMS加速度計(jì)頻率響應(yīng)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(yīng)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21 kHz，在11 kHz時為3 dB。對于交流分析，最好在LTspice中使用Laplace電路，但對于瞬態(tài)分析，應(yīng)使用分立式RLC器件以獲得最佳模擬性能。

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(yīng)的Laplace模型，(b)圖顯示諧振頻率為21 kHz，在11 kHz時為3 dB。

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

圖12包括MEMS輸入模型(圖10中的分立式RLC)、運(yùn)算放大器濾波和16位LTC2311-16 SAR ADC模型。可使用模塊化方法構(gòu)建和模擬完整的信號鏈，將有線接口和工程電源作為獨(dú)立的模塊添加。

對于瞬態(tài)模擬，可探測LTC2311-16 DIGITAL_OUT節(jié)點(diǎn)，以查看對應(yīng)于MEMS電壓輸入(VIN)的數(shù)字輸出?？尚薷腖TC2311-16 LTspice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(zhǔn)OVDD更改為1.71 V至2.5 V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1.8 V或2.5 V下運(yùn)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LTC2865 VCC引腳，在3.3 V或5.0 V下單獨(dú)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(yīng)和濾波器模型，以及(b)推高至17 kHz的3 dB點(diǎn)(與11 kHz下的圖10b相比)

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

圖13.MEMS模型的輸入電壓(VIN)和濾波后的數(shù)字化輸出電壓(DIGITAL_OUT)

參考MEMS和工程電源評估平臺

ADI的有線狀態(tài)監(jiān)控平臺為ADcmXL3021三軸振動傳感器提供工業(yè)有線鏈接解決方案。硬件信號鏈由ADcmXL3021加速度計(jì)組成，SPI和中斷輸出與接口PCB相連，通過數(shù)米長的電纜將發(fā)送至RS-485物理層的SPI轉(zhuǎn)化發(fā)送至遠(yuǎn)程主控制器板。SPI到RS-485物理層的轉(zhuǎn)換可以使用隔離或非隔離的接口PCB實(shí)現(xiàn)，其中包括iCoupler®隔離(ADuM5401/ADuM110N0)和RS-485/RS-422收發(fā)器(ADM4168E/ADM3066E)。該解決方案通過一根標(biāo)準(zhǔn)電纜(工程電源)將電能和數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，從而降低了遠(yuǎn)程MEMS傳感器節(jié)點(diǎn)的電纜和連接器成本。專用軟件GUI可以簡單配置ADcmXL3021器件，并在長電纜上捕捉振動數(shù)據(jù)。GUI軟件將數(shù)據(jù)可視化顯示為原始時間域或FFT波形。

圖14.數(shù)據(jù)線供電的有線振動監(jiān)控。

結(jié)論

現(xiàn)代MEMS傳感器解決方案的體積小、集成度高，并且放置在振動源附近，用于測量振動頻率。頻率隨時間的變化表明振動源(電機(jī)、發(fā)電機(jī)等)存在問題。頻率測量對于CbM而言至關(guān)重要。使用工程電源解決方案可節(jié)省MEMS傳感器的連接器數(shù)量和電纜成本。LTspice是強(qiáng)大的免費(fèi)模擬工具，可用于模擬工程電源設(shè)計(jì)。數(shù)千個功率器件模型(包括LTM8002 Silent Switcher器件)可用于完成剩余的設(shè)計(jì)部分。使用提供的ADC、運(yùn)算放大器和MEMS模型，可實(shí)現(xiàn)完整的MEMS信號鏈模擬。

參考文獻(xiàn)

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3 “IEEE 802.3bu-2016——IEEE以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)——修正案8：單根平衡雙絞線以太網(wǎng)由數(shù)據(jù)線供電(PoDL)的電線的物理層和管理參數(shù)?！盜EEE，2017年2月。

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7 Erick Cook?！笆褂肔Tspice模擬混合連續(xù)采樣系統(tǒng)。” EDN Asia，2020年1月。

8 Simon Bramble?！笆褂肔Tspice分析狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中的振動數(shù)據(jù)。”《模擬對話》，第54卷，第2期，2020年6月。