使用LTspice進行工程電源和MEMS信號鏈仿真

事半功倍

存在幾種標準用于在同一根電線上共享電源和數據。標準 包括用于數據線供電 （PoDL） 的 IEEE 802.3bu 和用于供電的 IEEE 802.3af 以太網 （PoE），帶有專用電源接口控制器。這些定義 標準提供受控和安全的電源連接，具有檢測、連接檢查、分類和開/關故障監控功能。功率水平 功率范圍從幾瓦到幾十瓦，具有安全的電力輸送功能。與標準化的廣泛應用 PoE/PoDL 規范相比，術語工程 電源 （EP） 是指定制的數據線供電設計，通常用于 單個應用程序。例如，Hiperface DSL 規范1夫妻力量 以及用于電機控制編碼器應用的相同導線上的數據。工程 電源也可用于一些現代傳感器系統。

對典型的共享電源和數據接口進行編碼以減少信號直流 內容，允許在傳輸交流信號內容時簡化系統設計。 然而，許多數字輸出傳感器接口（例如，SPI和I）2C） 是 未編碼，具有可變信號直流成分，并且不適合 共享數據和電源設計。對 SPI 或 I 進行編碼2C 需要額外 微控制器，這增加了解決方案的成本和尺寸，如圖1所示。自 無需編碼和添加微控制器，設計人員必須 嘗試事半功倍 — 這需要仔細設計和模擬 工程電源電路。工程電源電路由電感器、 電容器和保護電路共同構成濾波器。

圖1.MEMS傳感器的可能工程電源解決方案，在傳感器解決方案尺寸和設計復雜性方面進行權衡。

工程電源背景

電源和數據使用電感電容器網絡分布在一對導線上。 高頻數據通過串聯電容器耦合到數據線，串聯電容器 還可以保護通信收發器免受直流總線電壓的影響。一個電源 通過連接到數據線的電感器連接到主控制器，并且 然后使用子節點傳感器節點上的電感濾除電源 電纜的遠端。

電感-電容網絡將產生一個高通濾波器，因此耦合 必須將解決方案添加到不需要 DC 數據內容的數據線。 但是，某些接口未在物理層進行編碼以消除直流 內容 - 例如 SPI。在這種情況下，系統設計人員需要考慮 最壞情況下的 DC 內容場景，其中所有位都在數據幀中傳輸 邏輯高電平（100% 直流成分）。所選電感器還將具有指定的 自諧振頻率（SRF），超過該頻率，電感值下降，并且 寄生電容增加。因此，工程電源電路將充當 低通和高通濾波器（帶通）?；?a target="_blank">仿真的建?？梢?極大地幫助系統設計人員理解此約束。

長距離移植SPI時，電纜和組件會影響系統時鐘 和數據同步。最大可能的SPI時鐘由系統設置 傳播延遲，包括電纜傳播延遲以及主和 子節點組件傳播延遲。雖然本文未討論， 設計人員應了解此附加約束，并提供更多信息 請參閱文章“啟用強大的有線狀態監控 工業 4.0 — 第 2 部分。2

圖2所示為簡化的工程電源電路，可用于 用于濾波器或壓降和壓降時間分析。由于電感 數據線供電網絡，通信總線電壓會下降， 如圖 3 所述。壓降分析很重要，因為當電壓下降時 超過峰值電壓的99%，網絡中會發生誤碼。一個系統可以是 設計用于滿足特定的電壓下降和時間下降規范。為 例如，1000BASE-T 以太網假設 500 ns 內電壓下降 27%，3如圖3所示。

圖2.工程電源，簡化的分析電路。

圖3.電壓下降和下降時間。

等式1至等式6提供的電感和電容值為 實現目標電壓下降和下降時間。假設隔直電容兩端的電壓變化在下降期間可以忽略不計，則 對串聯 LR 電路的壓降產生以下表達式：

這提供了基于目標下降、下降 時間和阻力：4

串聯RLC電路的阻尼比由下式給出：

假設臨界阻尼系統的 ζ = 1 為 C 提供表達式：

電路高通濾波器截止頻率由前 C 和 L 的表達式：

對于臨界阻尼系統：

為什么使用LTspice進行工程功耗仿真？

使用LTspice進行工程功率仿真的令人信服的理由包括：

真實電感模型，包括器件寄生效應，以實現更緊密的關聯 介于仿真和真實性能之間。數以千計的電感器型號是 在各種知名制造商的LTspice庫中提供 如伍爾特、村田制作所、線藝、柏恩等。

ADI公司物理層通信收發器的LTspice模型 可用于支持各種接口標準（CAN、RS-485），這些標準 通常不由其他半導體制造商提供。

靈活的LTspice波形查看器允許快速進行數值評估 數據線供電設計。

LTspice增強意味著仿真功率器件，如LDO 穩壓器和開關穩壓器，與普通穩壓器相比速度極快 SPICE仿真器，允許用戶查看大多數開關的波形 只需幾分鐘即可調節器。

即用型LTspice演示電路縮短了原理圖捕獲時間。

ADI功率器件型號超過1000種，運算放大器超過200種 型號和 ADC 型號，以及電阻器、電容器、晶體管和 MOSFET 模型可完成其余設計。

使用LTspice進行下垂分析

圖4提供了一個簡化的數據線供電仿真電路。這 電路采用LTC2862 RS-485收發器LTspice宏模型和1 mH電感器 “（伍爾特74477830）。LTspice包括真正的電感器型號，其中包括器件 寄生效應，使仿真與實際設計之間具有更緊密的關聯 性能。隔直電容值為10 μF。一般來說，使用較大的 電感和電容值可在通信網絡上實現較低的數據速率性能。模擬測試用例是250 kHz的數據速率，大致 相當于 100 米的有線通信2 通過RS-485接口移植時鐘同步SPI時。輸入電壓波形用于 仿真對應于最壞情況下的直流內容，具有 16 位字和所有邏輯 高位。仿真結果如圖5和圖6所示。輸入 電壓波形（V在） 與遠程用電設備的輸出匹配（否） 通信錯誤）。圖6顯示了總線電壓的放大視圖 用于下垂分析的差分波形（電壓A到電壓B）。電壓 在遠程傳感器節點上，從 L2 電感器 （V（pout）） 中提取，提供 5 V ± 1 mV 電源軌。

圖4.采用LTC2862 （RS-485）和1 mH伍爾特電感器74477830的工程功率LTspice仿真電路。

圖5.RS-485總線差分電壓V（A，B）和下降點X和Y的仿真結果。

圖6.點 X 和 Y 的下垂分析。

五世下垂， V峰和 T下垂使用圖5和圖6LTspice測量 波形。然后使用公式2和公式4計算L和C值。 計算出的L值為1 mH至3 mH，如表1所示，但這可能會改變 取決于測量波形的位置。在X點測量最多 精度高，產生約1 mH的正確電感值。這 高通濾波器頻率（公式6）只是下降時間和 電壓，對于點 X，頻率大約等于 250 kHz/32 1位（半時鐘周期），與圖5所示的輸入波形（V3）匹配。

在運行圖4所示的仿真時，值得注意的是，C8 建議使用電容器以減少傳感器的電壓過沖（V努在 電源提取節點）。添加C8后，過沖最大為47 mV和 在 1.6 ms 內建立到所需 5 VDC 的 1 mV 以內。模擬時沒有 C8電容產生欠阻尼系統，具有600 mV過沖，以及 來自 5 VDC 目標的永久 100 mV 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，因為電路包含額外的串聯電容（1 μF、100 μF），并且可能被過阻尼，這與 等式 1 至等式 6。

使用 LTspice 仿真更復雜的供電電路

在傳感器節點上添加LDO穩壓器或DC-DC轉換器可實現 從標準工業電壓軌的主節點供電，例如 12 伏直流和 24 伏直流。LDO穩壓器或DC-DC開關穩壓器的選擇 取決于應用要求。如果應用程序使用 12 VDC 電源軌， 那么LDO穩壓器可能適用于超低噪聲性能，并且具有 傳感器子節點的可容忍功耗。對于 24 VDC 電源軌，更高的 建議使用高效DC-DC開關穩壓器，以減少功率損耗。 ADI公司的低噪聲靜音開關電源架構意味著更高的功耗 可實現效率和低噪音。?

24 VDC廣泛用于鐵路，工業自動化以及航空航天和國防 應用。EN 50155 標準5對于鐵路電子指定標稱 輸入電壓為 24 VDC，但標稱輸入變化為 0.7 V在至 1.25 V在跟 0.6 × V 的擴展范圍在至 1.4 × V在指定。因此，DC-DC設備用于 該應用需要 14.4 VDC 至 33.6 VDC 的寬輸入范圍。

LTM8002 靜音開關器 μModule 穩壓器非常適合于空間受限型穩壓器 用于鐵路機車車輛監測的振動傳感器，尺寸為 6.25 mm × 6.25 mm BGA 封裝和 3.4 VDC 至 40 VDC 寬輸入范圍。?

圖7重復了圖4原理圖，增加了LTM8002和一個24 VDC 從主傳感器向子節點傳感器供電。仿真顯示 1 ms 斜坡 LTM8002 上達到所需 5 VDC ± 1% 輸出電壓的時間。建議 設計人員在上電時實現2 ms至3 ms的時間延遲，在上電之前 啟動主節點和子節點之間的通信。這將確保 傳感器節點輸出端的有效數據。

圖7.在傳感器子節點（LTM8002）上使用ADI公司的低噪聲靜音開關器件，為電源軌設計提供了更大的靈活性。

圖8.在VPOUT上達到所需的5 VDC的斜坡時間為1 ms，在2 ms至3 ms后在VOUT上提供有效數據。

完整的MEMS信號鏈仿真

ADI公司有許多設計說明，可幫助設計人員完成 MEMS信號鏈設計并使用LTspice進行仿真（見圖9）。雖然許多 MEMS是數字輸出的，也有許多具有模擬輸出的高性能傳感器。仿真運算放大器和ADC信號鏈可以提供有價值的 完成硬件設計構建之前的見解。

圖9.使用LTspice進行的完整傳感器信號鏈仿真（簡化圖—未顯示所有連接和無源元件）。

分析低通濾波、放大器和ADC輸入對傳感器的影響 數據，設計人員可以參考Gabino提供的LTspice基準電路 阿隆索和克里斯·洛克雷。6AD4002和AD4003的仿真模型 18位 提供 SAR ADC 以及 16 位 LTC2311-16。開發定制ADC 使用LTspice的模型，Erick Cook提供了一個很好的實用指南。7

提供200多種運算放大器型號，包括ADA4807和ADA4805系列。提供基準電壓宏模型，如ADR4525和LTC6655-5，以及基準電壓緩沖器ADA4807-1。

Simon Bramble描述了如何使用LTspice分析頻率成分 他關于基于狀態的監測系統的文章中的振動數據。8Simon 的文章包含格式化和分析捕獲的傳感器數據的有用提示。

圖10顯示了低噪聲、±50 g MEMS加速度計ADXL1002頻率響應的LTspice模型示例。在 LTspice Laplace格式是頻率響應的良好近似值 的微機電系統。仿真模型與數據手冊中的典型性能非常吻合，諧振頻率為21 kHz，11 kHz時為3 dB。為 交流分析中，最好在LTspice中使用拉普拉斯電路，但對于瞬態分析，應使用分立式RLC元件以獲得最佳仿真性能。

圖 10.（a） MEMS頻率響應的拉普拉斯模型，以及（b）顯示21 kHz諧振和11 kHz時3 dB的圖。

對于模擬輸出加速度計，例如ADXL1002，定義了帶寬 作為響應降至響應的 –3 dB 時的信號頻率 到直流（或低頻）加速度。圖11重復MEMS頻率 響應模型如圖10所示，還包括一個運算放大器濾波電路。使用這個 濾波電路中，更多的MEMS頻率響應可以在3 dB以內測量。 該圖顯示 V外運算放大器在17 kHz時為3 dB，而 未濾波的MEMS輸出，在11 kHz時為3 dB。

圖 11.（a）MEMS頻率響應和濾波器模型，以及（b）推至17 kHz的3 dB點（與圖10b在11 kHz時相比）。

圖12包括MEMS輸入模型（圖10中的分立RLC），op 放大器濾波和 16 位 LTC2311-16 SAR ADC 模型。完整的信號鏈 可以使用模塊化方法構建和仿真，具有有線接口和 工程電源作為獨特的塊添加。

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

通過瞬態仿真，可以探測 LTC2311-16 DIGITAL_OUT節點 查看與MEMS電壓輸入（V在).這 LTC2311-16 LTspice 模型可進行修改以減小至串行時鐘和 CNV接口時序和數字輸出參考OVDD可以更改為 1.71 V至2.5 V范圍內的任意電壓。某些RS-485收發器（例如LTC2865）包括一個邏輯接口引腳VL，該引腳可在1.8 V或1.8 V或 2.5 V，為ADC數字輸出數據的有線流提供完美匹配。 然后，RS-485接口可以使用 LTC2865 V抄送引腳，提供更高電壓的電纜驅動器。

圖 13.來自MEMS模型（VIN）的輸入電壓和濾波后的數字化輸出電壓（DIGITAL_OUT）。

參考MEMS和工程電源評估平臺

ADI公司的有線狀態監控平臺提供工業級監控平臺 用于ADcmXL3021三軸振動傳感器的有線鏈路解決方案。硬件 信號鏈由ADcmXL3021加速度計組成，帶SPI和中斷 輸出連接到接口 PCB，將 SPI 轉換為 RS-485 物理層 與遠程主控制器板長達數米的電纜連接。SPI 至 RS-485 可以使用隔離或非隔離接口實現物理層轉換 PCB，包括耦合器隔離 （ADuM5401/ADuM110N0） 和 RS-485/RS-422 收發器（ADM4168E/ADM3066E）。該解決方案將電源和數據相結合 一根標準電纜（工程電源），可降低電纜和連接器成本 在遠程MEMS傳感器節點上。專用軟件GUI支持ADcmXL3021器件的簡單配置，并通過長電纜捕獲振動數據。圖形用戶界面 軟件支持數據可視化為原始時域或FFT波形。?

圖 14.通過數據線供電進行有線振動監測。

結論

現代MEMS傳感器解決方案體積小，集成度高，放置 靠近振動源測量振動頻率。變化 頻率隨時間的變化表明振動源（電機、發電機、 等）。頻率測量對于CbM至關重要。 使用工程電源 解決方案節省了MEMS傳感器的連接器數量和電纜成本。LTspice是 功能強大且免費的仿真工具，可用于仿真工程電源 設計。數千種功率器件型號，包括 LTM8002 靜音切換器 設備，可用于完成其余的設計。完整的MEMS信號 可以使用ADC、運算放大器和MEMS模型進行鏈仿真。

審核編輯：郭婷