运用LTspice进行工程电源和MEMS信号链模仿

作者：ADI公司 Richard Anslow，体系运用工程师

本文为规划人员供给了运用LTspice®模仿工程电源解决方案的布景和辅导。对工程电源解决方案施行优化后，可运用LTspice研讨完好的MEMS信号链。有些传感器具有数字输出，有些传感器则包含模仿输出。关于包含模仿输出的传感器，可运用LTspice以及运算扩大器、模数转化器（ADC）乃至可用的MEMS频率呼应模型，模仿整个信号链。

多快好省

针对同一线路上同享电源和数据，现在有多种规范，包含针对数据线供电（PoDL）的IEEE 802.3bu，以及针对以太网供电（PoE）的IEEE 802.3af，选用带有专用电源接口操控器。这些界说的规范经过检测、衔接检查、分类和开/关毛病监测，供给了受控的安全电源衔接。在安全供电状况下，功率水平规模为几瓦至几十瓦。与适用于广泛运用的规范化PoE/PoDL规范相反，术语“工程电源（EP）”是指定制的数据线供电规划，一般用于单个运用。例如，针对电机操控编码器运用，Hiperface DSL规范1将电源和数据耦合至同一线路。工程电源还可用于一些现代传感器体系中。

一般的同享电源和数据接口经过编码，可削减信号直流成分，然后在发送沟通讯号成分时简化体系规划。可是，许多数字输出传感器接口（例如，SPI和I2C）没有经过编码，具有可变的信号直流成分，因而不是同享数据和电源规划的天然之选。对SPI或I2C进行编码需求额定的微操控器，这会增加解决方案的本钱和尺度，如图1所示。为了免除编码和额定增加微操控器的费事，规划人员有必要测验选用多快好省的办法，这就需求细心规划和模仿工程电源电路。工程电源电路由电感、电容和维护电路组成，一同构成了一个滤波器。

图1.MEMS传感器的潜在工程电源解决方案，在传感器解决方案尺度和规划杂乱性方面进行了权衡

工程电源布景

功率和数据经过电感电容网络散布在一对电线上。高频数据经过串联电容与数据线路耦合，一起维护通讯收发器免受直流母线电压影响。主操控器上的电源经过电感器衔接到数据线路，然后运用电缆远端的子节点传感器节点上的电感器进行滤波。

电感电容网络将发生高通滤波器，因而耦合解决方案有必要增加到不需求直流数据成分的数据线上。可是，有些接口未在物理层进行编码以去除直流成分，例如，SPI。在这种状况下，体系规划人员需考虑最坏状况的直流成分场景，即数据帧中发送的一切位均为逻辑高电平（100% 直流成分）。所选的电感还将具有指定的自谐振频率（SRF），超越该频率时，电感值会下降，寄生电容会增加。这样，工程电源电路将一起充任低通和高通滤波器（带通）。根据模仿的建模可大大协助体系规划人员了解该约束。

长距离移植SPI时，电缆和元件会影响体系时钟和数据同步。或许的最大SPI时钟根据体系传输推迟设置，包含电缆传输推迟，以及主节点和子节点元件传输推迟。尽管本文未作进一步评论，但规划人员应意识到该额定约束，更多信息请参阅文章“为工业4.0启用牢靠的根据状况的有线监控——第2部分”。2

图2所示为简化的工程电源电路，可用于进行滤波或下降电压和下降时刻剖析。受数据线供电网络电感的影响，通讯总线电压会下降，如图3所示。电压下降剖析很重要，由于当电压下降超越峰值电压的99%时，网络中会呈现位过错。可将体系规划为契合特定的电压下降和时刻下降规范。例如，1000BASE-T以太网假定500 ns内的电压下降为27%，3如图3所示。

图2.工程电源，用于剖析的简化电路

图3.电压下降和下降时刻

等式1至等式6供给电感值和电容值，以取得方针电压下降值和下降时刻。假定在电压下降期间，隔直电容间的电压改变可忽略不计，则得出以下表达式，以求取串联LR电路的电压下降值：

根据方针下降、下降时刻和电阻，该等式供给了求取电感的表达式：4

经过以下等式求出串联RLC电路的阻尼比：

假定临界阻尼体系的ζ = 1，则给出了用于求取C的表达式：

代入上述求C和L的表达式，得出电路高通滤波器的截止频率：

关于临界阻尼体系：

为什么运用LTspice来进行工程电源模仿？

运用LTspice进行工程电源模仿有几个令人信服的原因，包含：

• 实在电感模型，包含可使模仿与实在功用更严密相关的器材寄生效应。LTspice库中具有数以千计的电感模型，由许多闻名制造商（Würth、Murata、Coilcraft和Bourns）供给。
• 供给适用于ADI物理层通讯收发器的LTspice模型以支撑多种接口规范（CAN、RS-485），而其他半导体制造商一般不供给。
• 灵敏的LTspice波形检查器可用于对数据线供电规划进行快速的数值评价。
• 与一般SPICE模仿器比较，凭借LTspice的增强功用，模仿功耗器材（例如，LDO稳压器和开关稳压器）的速度十分快，用户仅需几分钟即可检查大部分开关稳压器的波形。
• 现成LTspice演示电路削减了原理图收集时刻。
• 有1000多种ADI功率器材模型、200多种运算扩大器模型和ADC模型以及电阻、电容、晶体管和MOSFET模型，可供您用于完结剩下的规划部分。

运用LTspice进行下降剖析

图4供给了简化的数据线供电模仿电路。该电路运用LTC2862 RS-485收发器LTspice宏模型和1 mH电感（Würth 74477830）。LTspice中的实在电感模型包含可使模仿与实在规划功用更严密相关的器材寄生效应。隔直电容值为10 µF。一般来说，运用较大的电感值和电容值可下降通讯网络上的数据速率功用。模仿测验用例的数据速率为250 kHz，这大致相当于经过RS-485接口移植时钟同步SPI时100米的电缆通讯2。模仿中运用的输入电压波形对应于最差状况的直流成分，其间包含16位字和一切逻辑高电平位。模仿成果如图5和图6所示。输入电压波形（VIN）与长途受电器材的输出相匹配（无通讯过错）。图6所示为用于进行下降剖析的总线电压差分波形（电压A到电压B）的扩大图。从L2电感中提取的长途传感器节点电压供给5 V±1 mV的电源轨。

图4.运用LTC2862 （RS-485）和1 mH Würth电感74477830的工程电源LTspice模仿电路

图5.RS-485总线差分电压V（A，B）以及下降点X和Y的模仿成果

图6.点X和Y的下降剖析

运用图5和图6的LTspice波形丈量VDROOP、VPEAK和TDROOP。然后，运用等式2和等式4核算L值和C值。如表1所示，核算出的L值为1 mH至3 mH，但该值或许因丈量波形的方位而有所不同。在X点进行的丈量最精确，发生了约为1 mH的正确电感值。高通滤波器频率（等式6）便是下降时刻和电压的函数，关于点X，1位（半个时钟周期）的频率约等于250 kHz/32，与图5所示的输入波形（V3）相匹配。

运转图4所示的模仿时，值得注意的是，主张运用C8电容来下降传感器上的电压过冲（功率提取节点上的VPOUT）。增加C8今后，过冲最大值为47 mV，而且在1.6 ms内树立至所需5 VDC的1 mV以内。在不运用C8电容的状况下进行模仿导致体系欠阻尼，过冲值为600 mV，而且与5 VDC方针存在100 mV的永久电压振荡。

C值为0.4 μF至1 μF，如表1所示。C值小于10 µF隔直电容值，由于电路包含额定的串联电容（1 µF、100 µF），且或许呈现过阻尼，这与等式1至等式6的核算相对立。

表1.下降剖析：运用VDROOP/VPEAK和TDROOP测定电路电感和电容

运用LTspice模仿更杂乱的供电电路

在传感器节点增加LDO稳压器或DC-DC转化器可完结在规范工业电压轨（例如，12 VDC和24 VDC）上从主节点供电。LDO稳压器或DC-DC开关稳压器的挑选取决于运用要求。假如运用运用12 VDC电压轨，则LDO稳压器或许合适用来完结超低噪声功用，而且在传感器子节点发生可接受的功耗。关于24 VDC电压轨，主张运用功率更高的DC-DC开关稳压器来下降功耗。ADI的低噪声Silent Switcher®架构保证可完结更高的能效和低噪声。

24 VDC广泛用于铁路、工业自动化、航空航天和防务运用中。适用于铁路用电子设备的EN 50155规范5规则了24 VDC的标称输入电压，但标称输入改变为0.7 VIN至1.25 VIN，规则的扩展规模为0.6 × VIN至1.4 × VIN。因而，运用中运用的DC-DC器材需求14.4 VDC至33.6 VDC的较宽输入规模。

LTM8002 Silent Switcher µModule®稳压器选用6.25 mm × 6.25 mm BGA封装和3.4 VDC至40 VDC的较宽输入规模，十分适用于铁路车辆监控中所用的空间受限振荡传感器。

图7仿制了图4的原理图，增加了LTM8002，从主节点输送至子节点传感器的电源为24 VDC。模仿显现在LTM8002上到达所需5 VDC±1%的输出电压需求1ms的斜坡时刻。主张规划人员在上电时施行2 ms至3 ms时刻推迟，然后再发动主节点和子节点之间的通讯。这将保证在传感器节点输出端取得有用数据。

图7.在传感器子节点（LTM8002）运用ADI的低噪声Silent Switcher器材可为电源轨规划供给更大的灵敏性

图8.在VPOUT上到达所需5 VDC的斜坡时刻为1 ms，2 ms至3 ms后在VOUT上取得有用数据

完好的MEMS信号链模仿

ADI公司供给许多规划笔记，可协助规划人员完结MEMS信号链规划，并运用LTspice进行模仿（参见图9）。尽管许多MEMS均为数字输出，但也有许多高功用传感器具有模仿输出。模仿运算扩大器和ADC信号链可在完结硬件规划构建之前供给有价值的见地。

如要剖析低通滤波、扩大器和ADC输入对传感器数据的影响，规划人员可参阅Gabino Alonso和Kris Lokere供给的LTspice基准电路。6可供给AD4002和AD4003 18位SAR ADC以及16位LTC2311-16的模仿模型。关于运用LTspice开发定制的模数转化器模型，Erick Cook供给了有用的实践攻略。7

有200多种运算扩大器模型可供挑选，包含ADA4807和ADA4805系列。可供给基准电压宏模型（例如，ADR4525和LTC6655-5），以及ADA4807-1基准电压缓冲器。

Simon Bramble在他的一篇关于状况监控体系的文章中介绍了怎么运用LTspice来剖析振荡数据的频谱。8 Simon的文章供给了关于格局化和剖析捕获的传感器数据的有用提示。

图10所示为ADXL1002低噪声、±50 g MEMS加速度计频率呼应的LTspice模型示例。以LTspice拉普拉斯格局运用串联LRC电路与MEMS频率呼应很挨近。模仿模型与数据表典型功用坚持较好的一致性，谐振频率为21 kHz，在11 kHz时为3 dB。关于沟通剖析，最好在LTspice中运用Laplace电路，但关于瞬态剖析，应运用分立式RLC器材以取得最佳模仿功用。

图9.运用LTspice的完好传感器信号链模仿（简图—未显现一切衔接和无源器材）

图10.（a） MEMS频率呼应的Laplace模型，（b）图显现谐振频率为21 kHz，在11 kHz时为3 dB。

关于模仿输出加速度计（例如，ADXL1002），带宽的界说为对直流（或低频）加速度的呼应降至–3 dB时的信号频率。图11仿制了图10的MEMS频率呼应模型，但还包含运算扩大器的滤波器电路。运用该滤波器电路，可在3 dB内丈量更多的MEMS频率呼应。该图显现，在17 kHz时运算扩大器的VOUT为3 dB，而未滤波MEMS的输出在11 kHz时为3 dB。

图12包含MEMS输入模型（图10中的分立式RLC）、运算扩大器滤波和16位LTC2311-16 SAR ADC模型。可运用模块化办法构建和模仿完好的信号链，将有线接口和工程电源作为独立的模块增加。

关于瞬态模仿，可勘探LTC2311-16 DIGITAL_OUT节点，以检查对应于MEMS电压输入（VIN）的数字输出。可修正LTC2311-16 LTspice模型，以削减串行时钟和CNV接口时序，而且可将数字输出基准OVDD更改为1.71 V至2.5 V规模内的任何值。一些RS-485收发器（例如，LTC2865）包含一个逻辑接口引脚VL，该引脚可在1.8 V或2.5 V下运转，然后为ADC数字输出数据的有线流传输供给完美匹配。然后可运用LTC2865 VCC引脚，在3.3 V或5.0 V下独自为RS-485接口供电，以供给电压更高的电缆驱动。

图11.（a） MEMS频率呼应和滤波器模型，以及（b）推高至17 kHz的3 dB点（与11 kHz下的图10b比较）

图12.MEMS输入模型（图10中的分立式RLC）、运算扩大器滤波和16位LTC2311-16 SAR ADC模型

图13.MEMS模型的输入电压（VIN）和滤波后的数字化输出电压（DIGITAL_OUT）

参阅MEMS和工程电源评价渠道

ADI的有线状况监控渠道为ADcmXL3021三轴振荡传感器供给工业有线链接解决方案。硬件信号链由ADcmXL3021加速度计组成，SPI和中止输出与接口PCB相连，经过数米长的电缆将发送至RS-485物理层的SPI转化发送至长途主操控器板。SPI到RS-485物理层的转化能够运用阻隔或非阻隔的接口PCB完结，其间包含iCoupler®阻隔（ADuM5401/ADuM110N0）和RS-485/RS-422收发器（ADM4168E/ADM3066E）。该解决方案经过一根规范电缆（工程电源）将电能和数据结合在一同，然后下降了长途MEMS传感器节点的电缆和衔接器本钱。专用软件GUI能够简略装备ADcmXL3021器材，并在长电缆上捕捉振荡数据。GUI软件将数据可视化显现为原始时刻域或FFT波形。

图14.数据线供电的有线振荡监控。

定论

现代MEMS传感器解决方案的体积小、集成度高，而且放置在振荡源邻近，用于丈量振荡频率。频率随时刻的改变标明振荡源（电机、发电机等）存在问题。频率丈量关于CbM而言至关重要。运用工程电源解决方案可节约MEMS传感器的衔接器数量和电缆本钱。LTspice是强壮的免费模仿东西，可用于模仿工程电源规划。数千个功率器材模型（包含LTM8002 Silent Switcher器材）可用于完结剩下的规划部分。运用供给的ADC、运算扩大器和MEMS模型，可完结完好的MEMS信号链模仿。

参阅文献

1 Hiperface DSL®—数字进化。SICK Sensor Intelligence，2020年10月。

2 Richard Anslow和Dara O’Sullivan。“为工业4.0启用牢靠的根据状况的有线监控——第2部分。”ADI公司，2019年11月。

3 “IEEE 802.3bu-2016——IEEE以太网规范——修正案8：单根平衡双绞线以太网由数据线供电（PoDL）的电线的物理层和办理参数。”IEEE，2017年2月。

4 Andy Gardner。“PoDL：去耦网络演示。”凌力尔特，2014年5月。

5“EN 50155:2017用于铁路车辆的铁路运用电子设备”。

6 Gabino Alonso 和 Kris Lokere。“LTspice：仿真SAR ADC模仿输入。”ADI公司，2017年11月。

7 Erick Cook。“运用LTspice模仿混合接连采样体系。” EDN Asia，2020年1月。

8 Simon Bramble。“运用LTspice剖析状况监控体系中的振荡数据。”《模仿对话》，第54卷

第2期，2020年6月。

作者简介

Richard Anslow是ADI公司自动化与动力业务部互连运动和机器人团队的体系运用工程师。他的特长范畴是根据状况的监测和工业通讯规划。他具有爱尔兰利默里克大学颁布的工程学士学位和工程硕士学位。