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作者：ADI 公司 应用总监 Keith Szolusha  和应用工程师Brandon Nghe

摘要

适当的控制环路相位和增益测量应由拥有（昂贵的）设备和相应经验的工厂专家进行。如果缺少其中一个或两个都没有，则还有另一种选择。

简介

闭环增益和相位图是用于确定开关调节器控制环路稳定性的常用工具。正确完成增益和相位测量需熟悉高级网络分析仪。测量包括断开控制环路、注入噪声，以及测量一定频率范围内的增益和相位（见图1）。这种测量控制环路的做法很少应用于LED驱动器。

LED驱动器控制环路相位和增益测量需要采用一种不同的方法（见图1）——从典型的电阻分压路径到GND电压调节器注入和测量点的偏差。在这两种情况下，台式控制环路相位和增益测量是保证稳定性的最佳方法，但并非每个工程师都有所需的设备和经验丰富的工厂应用程序团队加持。工程师们该怎么办呢？

一种选择是构建LED驱动器，查看它瞬态的响应。瞬态响应观察需要应用板和更常见的台式设备。瞬态分析的结果缺乏波德图基于频率的增益和相位数据——可用于保证稳定性，也可作为一般控制环路稳定性和速度的指示器。

大信号瞬态可用于检查绝对偏差和系统响应时间。瞬态扰动的形状表示相位或增益裕量，因此可用于了解一般环路稳定性。例如，临界阻尼响应可能表示45°至60°的相位裕度。或者，瞬态期间的大尖峰可能表示需要更多的C_OUT或更快的环路。较长的建立时间可能表示需要加快环路的带宽（和交越频率）。这些相对简单的系统检查能够在运行中描绘开关调节器的控制环路，但增益和相位波德图需要进行更深入的分析。

LTspice^®仿真可用在组装或生产电路之前生成开关调节器输出的瞬变波形和波德图。这有助于大致了解控制环路的稳定性，以便开始选择补偿元件和确定输出电容大小。LTspice的使用过程基于1975年Middlebrook的最初建议（请参阅“LTspice：生成SMPS波德图的基本步骤”）。目前，Middlebrook的方法中列出的实际信号注入位置并不常用，但经过多年的调整，得出了如图1a所示的常用注入位置。

此外，带有高边检测电阻和复杂交流电阻LED负载的LED驱动器，在反馈路径中应有一个不同于目前的注入点或Middlebrook最初建议的注入点，LTspice此前未予说明。这里介绍的方法是展示如何在LTspice和实验室中生成LED驱动器电流测量反馈环路波德图。

产生控制环路波德图

标准开关调节器控制环路波德图产生三个关键测量值，用于确定稳定性和速度：

• 相位裕量

• 交越频率（带宽）

• 增益裕量

一般认为，稳定的系统需要45°至60°的相位裕度，而为保证环路稳定性则需要–10 dB的增益裕量。交越频率与一般环路速度有关。图1显示了使用网络分析仪进行这些测量的设置。

LTspice模拟可用在LED的控制环路中创建类似的注入和测量。图2显示了一个LED驱动器（LT3950），给定频率（f）的理想正弦波直接注入到负感测线（ISN）的反馈路径中。测量点A、B和C用于计算注入频率（f）下的增益（dB）和相位（°）。为了绘制整个控制环路的波德图，必须在大频率扫描范围内重复该测量，并在f_SW/2（转换器开关频率的一半）处停止。

图1.开关调节器控制环路波德图测量，带有网络分析仪，用于（a）电压调节器和（b）LED驱动器。

为了进行测量，控制环路断开，正弦波扰动进入高阻抗路径，同时测量由此产生的控制环路增益和相位，

使设计人员能够量化环路的稳定性。

图2.LT3950 DC2788A演示电路LED驱动器LTspice模型，带控制环路噪声注入和测量点

图2中点A、点B和点C的测量值决定了注入频率（f）下控制环路的增益和相位。不同的注入频率产生不同的增益和相位。总之，为了解它的工作原理，可以设置注入频率，并测量A-C和B-C的增益和相位。这会产生控制环路波德图的单个频率点。图3a和3b显示了10 kHz±10 mV AC注入的增益和相位。图3c和3d显示了40 kHz±10 mV AC注入的增益和相位。

频率扫描以及B-C和A-C之间的增益和相位测量生成整个闭环波德图。如摘要中所述，这通常是在工作台上使用一台昂贵的网络分析仪来完成的。在LTspice中也可进行这种扫描，如图4所示。通过与使用网络分析仪的台式测试结果进行比较，证实这些结果（见图8）。

图3.图2中点A、点B和点C的测量值决定了注入频率（f）下控制环路的增益和相位。不同的注入频率产生不同的增益和相位。图3a和3b显示了10 kHz±10 mV AC注入的增益和相位。图3c和3d显示了40 kHz±10 mV AC注入的增益和相位。频率扫描以及B-C和A-C之间的增益和相位测量生成闭环波德图。

图4.用LTspice中的LT3950进行波德图测量，显示增益（实线）和相位（虚线）

在LTspice中创建全部增益和相位扫描和波德图

要在LTspice中为控制环路创建全部波德图、增益和相位的图形扫描，请按照下列步骤操作。

第1步：创建交流电注入源

在LTspice中，插入±10 mV AC注入电压源和注入电阻，并标记节点A，B和C，如图2所示。交流电压源值SINE（0 10m {Freq}）设置10 mV峰值并扫描频率。用户可以使用1 mV至20 mV的正弦峰值来进行计算。注意：许多LED驱动器的感应电压分别为250 mV和100 mV。较高的注入噪声会产生LED电流调节误差。

第2步：添加Math

在原理图上将测量描述作为.sp（SPICE）指令插入。这些指令执行傅里叶变换公式，并以dB和相位计算LED驱动器的复数开环增益和相位。

各指令如下：

• .measure Aavg avg V(a)-V(c)

• .measure Bavg avg V(b)-V(c)

• .measure Are avg (V(a)-V(c)-Aavg)*cos(360*time*Freq)

• .measure Aim avg -(V(a)-V(c)-Aavg)*sin(360*time*Freq)

• .measure Bre avg (V(b)-V(c)-Bavg)*cos(360*time*Freq)

• .measure Bim avg -(V(b)-V(c)-Bavg)*sin(360*time*Freq)

• .measure GainMag param 20*log10(hypot(Are,Aim) / hypot(Bre,Bim))

• .measure GainPhi param mod(atan2(Aim, Are) - atan2(Bim, Bre)+180,360)-180

第3步：设置测量参数

还需要一些小的指令。首先，为进行正确的测量，电路必须处于模拟的稳定状态（启动后）。调整t0，或测量的开始时间和停止时间。通过模拟和观察启动时间来估算或得出开始时间。达到稳定状态后，停止时间定为10/freq，即10个周期，通过对每个频率的10个周期求平均值来减少误差。

各指令如下：

• .param t0=0.2m

• .tran 0 {t0+10/freq} {t0} startup

• .step oct param freq 1K 1M 3

第4步：设置频率采样步长和范围

.step命令设置执行分析的频率分辨率和范围。本例中，使用每倍频程3点的分辨率，模拟1 kHz到1 MHz。波德图测量可以精准到f_SW/2，频率上限设置为系统开关频率的一半。显然，点越多，分辨率越高，仿真时间越长。每倍频程3点是最低的分辨率，但以最小分辨率运行仿真可节省一些时间。从总体设计周期看，5分钟的仿真比设计、组装和测试印刷电路板快几个数量级。基于这点，以更高的分辨率运行，例如每倍频程5点或以上，生成更完整且更容易查看的结果。

第5步：运行仿真

这会比较直观，但LTspice需要多个步骤制作波德图。第一步是运行仿真，暂不生成图，只显示正常范围的电压和电流测量值。按照以下步骤生成波德图。

第6步：制作波德图

右键单击原理图窗口，打开“SPICE错误日志” ，选择Plot .step’ed .meas data。从“画图设置目录”中选择“可见曲线”，然后选择“增益”来绘制数据。或者，可通过单击文件，然后选择将数据导出为文本，产生波德数据的CSV文件，导出测量数据，

在仿真之后，使用网络分析仪进行波德图确认。

控制环路的仿真不像真实的那样可靠，它不能完全保证环路的稳定性和裕度。在设计过程的某个阶段，应在实验室使用网络分析仪工具验证控制环路。

LTspice中生成的波德图可以与网络分析仪的波德图测量结果比较。类似放真，通过将噪声注入反馈环路并测量和处理A-B和A-C的增益和相位来捕获实际的环路测量结果。测量设置示意图和照片如图5至图7所示。

图5.网络分析仪的LED驱动器控制环路波德图测量设置

图6.Venable System Model 5060A老式网络分析仪，用于高边浮动噪声注入和LED驱动器的测量

图7.LT3950 LED驱动器上的噪声注入和测量点

图8.DC2788A演示电路板上的LT3950 LED驱动器的波德图。

通过LTspice模拟生成的图（蓝线）与使用网络分析仪生成的图（绿线）相关性强。

表1.LT3950 LED驱动器的波德图测量数据比较，LTspice vs.网络分析仪

Ltspice仿真结果显示与网络分析仪数据的强相关性，证明LTspice是LED驱动器设计中的有效工具——产生大概的参考，帮助工程师缩小元件选择范围。较低频率下的增益和相位与硬件非常相近，较高频率下的仿真数据和硬件数据之间的差异更大。这可能代表了对高频极点、零点、寄生电感、电容和等效串联电阻建模的挑战。

结论

LTspice建模用于测量控制环路增益和相位，生成LED驱动器的波德图。Ltspice仿真数据的精确度取决于所使用的SPICE模型的精确度，精确地建模每个元件以解决现实情况会增加仿真时间。就LED驱动器设计而言，没有完善的元件建模，LTspice数据也可用于相对较快地缩小元件范围并预测总体电路性能。仿真有助于在过渡到硬件设计之前指导设计工程师，节省总体设计时间。粗略地选择元件后，使用内置板和网络分析仪的测量可以确认或对比仿真结果，作为开发期间硬件验证的一种手段。

参考资料：

1 Gabino Alonso.“LTspice：生成SMPS波德图的基本步骤。Analog Devices, Inc.

作者简介

Keith Szolusha是ADI公司应用总监，工作地点位于美国加利福尼亚州圣克拉拉。自2000年起，Keith任职于BBI Power Products Group，重点关注升压、降压-升压和LED驱动器产品，同时还管理电源产品部的EMI室。他毕业于马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院(MIT)，1997年获电气工程学士学位，1998年获电气工程硕士学位，专攻技术写作。联系方式：keith.szolusha@analog.com.

Brandon Nghe是Analog Devices的应用工程师。2020年获得加利福尼亚理工州立大学电气工程硕士学位。Brandon负责为汽车应用设计和测试升压、降压-升压和LED驱动器的低电磁干扰DC/DC变换器。联系方式：brandon.nghe@analog.com.

近日，业内知名氮化镓芯片原厂纳微半导体推出了一套全新的快充电源参考设计，输出功率高达300W，同时整套电源方案的设计也非常紧凑，功率密度更是达到了惊人的3.78W/cm³。

据了解，纳微这套300W快充参考设计基于图腾柱PFC+AHB非对称半桥的架构开发，从正面可以看到，整个电源模块外形方正，正面有序分布着电容、电感、变压器等器件。

PCB板背面为贴片器件，包括四颗纳微的NV6128功率芯片，变压器背面采用镂空处理，加强绝缘。

该参考设计应用了纳微新一代氮化镓功率芯片NV6128。该芯片采用QFN6*8mm封装，在使用电流检测电阻时仍能得到增强的散热。NV6128内部整合集成栅极驱动器，支持10-30V供电，且导通压摆率可编程。

NV6128具有开尔文源极，有效降低寄生参数对高频开关的影响。NV6128导阻为70mΩ，在纳微的氮化镓功率芯片中最低。芯片额定工作电压为650V，峰值耐压800V，在系统中的可靠性更高，支持2MHz高开关频率。

图腾柱的PFC是一个很先进的高效拓扑，此前一直应用在服务器电源中，用于快充电源中可以消除整流桥损耗，也叫做无桥PFC。同时，得益于氮化镓这种器件可以高速开关以及没有反向恢复的特性，非常适合用在CCM工作模式下，这与图腾柱的PFC完美契合。

纳微这套300W快充参考设计支持90-240V 47-63Hz宽电压输入，采用USB-C接口输出，规格为20V 15A，最大功率300W，整个方案尺寸为60mm × 60mm × 22mm，这与传统硅器件的65W充电器尺寸相当。也就是说通过纳微工程师团队的优化，提升了3到5倍的功率密度。

同时纳微这套300W快充参考设计的效率也非常高，无桥PFC电路在高压的情况下可以获得99.3%的效率，即使在低压的情况下，也可以达到接近98%的效率，这也是无桥PFC应用到快充领域带来的价值。

来源：充电头网

基于Semtech的LoRa^®技术对空气源热泵运行状态进行实时、高效、低成本的监测和管理

众所周知，煤炭燃烧是造成大气污染的主要原因之一。我国每年燃煤锅炉和北方农村烧煤取暖需要消耗大量的煤炭，这不仅给不可再生的化石能源带来巨大消耗，而且燃煤过程中产生的一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫等气体以及烟尘颗粒等物质，对人体和环境也造成了极大的危害。

为了实现可持续发展和打赢“蓝天保卫战”，煤改清洁能源已成为必然趋势，政府对于清洁供暖改造给予了高度重视和大力支持。2018年，国务院印发了《打赢蓝天保卫战三年行动计划》，明确了大气污染防治工作的总体思路、基本目标、主要任务和保障措施，提出了打赢蓝天保卫战的时间表和路线图；多个省份和地区都纷纷出台相关政策，以加快推进冬季清洁取暖改造。

煤改电是煤改清洁能源的一种方式，能够显著减少用煤量、改善空气质量，已在多个地区得到实施。电采暖的方式主要包括分散电采暖、集中电锅炉、热泵等多种类型，对于城镇、农村等地区主要采用集中电采暖，而空气热源泵是应用最多的方式之一。

空气源热泵采暖是目前世界上先进、能效比高的供热制冷设备之一，它采用电能驱动，通过传热工质把自然界的空气、水、土壤或其它低温热源中无法被利用的低品位热能有效吸收，并将吸收回来的热能提升至可用的高品位热能并释放到水中的设备，具有舒适、节能、环保、自动化控制、节省成本、方便等诸多优势。

但是空气源热泵等煤改电设备大多部署在农村地区，要给用户提供更便捷的使用指导、发现运行故障，提供运维服务，就需要通过物联网对煤改电设备的运行数据及用户用电数据进行采集和监测；这些数据还要经汇总后，为政府制定“煤改电”相关政策提供合理支撑。因此，煤改电一般需要采集空气源热泵的运行数据、能耗数据和室内温度三种数据。

这涉及到需要在农村地区建设覆盖范围广、多业务融合、大容量和低功耗的物联网网络。基于LoRaWAN^®的网络可以实现单台基站覆盖一个甚至多个村庄，通过TDMA等技术可以实现温湿度数据、能耗数据和空气源热泵运行数据通过一个网络上行到物联网平台的目标。

除了部署范围广，煤改电系统还具有协议种类多、设备数量大、现场情况复杂等挑战，给运维管理带来很大困难。而LoRa^®等物联网通信技术的快速发展，为建立煤改电等清洁能源的运维管理提供了强有力支持。Semtech的中国生态伙伴们为此开发了很多极富创新的解决方案。

北京门思科技有限公司（以下简称“门思科技”）是一家提供基于LoRa和LoRaWAN全通信链路解决方案产品的高科技企业，也是LoRa联盟中国区第一批成员，自2014年就开始从事LoRa技术产品开发，目前拥有包括基于LoRa的模组、传感器、网关、NS、NMS、MAP等在内的全栈产品体系，具有提供端对端解决方案的能力。

在煤改电运维管理系统上，门思科技利用LoRa技术实现了对空气源热泵的数据采集和控制。其整体系统组网如图1所示，此方案是基于作为全球物联网行业事实标准LoRaWAN标准，由空气热源泵、LoRaWAN采集终端、LoRaWAN网关、LoRaWAN服务器、网络管理平台（NMS）、应用管理平台组成。

图1：基于LoRaWAN的运维管理系统组网

门思科技这种基于LoRa的解决方案已经在北京某区得到应用，该区农村地区面积多达900平方公里，共有10万余只空气热源泵，LoRa凭借着广覆盖、低功耗、易部署等特性，在全区仅部署150台基站就实现了对空气源热泵的全面覆盖。

解决网络覆盖问题，这仅是整个解决方案的第一步，要实现对数量如此庞大的空气热源泵的全面监测，还有诸多难题需要解决，如热泵对接、数据上传、系统容量、远程维护等。为此，门思科技在运维管理系统中采用了两个关键设备：导轨式LoRa DTU和室外版LoRaWAN网关。

导轨式LoRa DTU内置门思科技自主开发的EdgeBus边缘计算框架，实现了对采用不同协议的热泵的快速对接，可支持超过70种协议；该DTU还支持TDMA等技术，空气源热泵运行数据、能耗数据和温湿度数据可通过一个网络上行到物联网平台，解决了拥塞冲突和共振冲突问题。

通过采用室外基站和利用LoRaWAN标准的频段自动迁移技术，解决了系统容量问题；基于LoRa实现的FUOTA、无线运维远程调试功能，大幅度降低了后期运维工作和人工成本。目前基于EdgeBus的模组和DTU已经在煤改电、能源管理等多个应用场景有了广泛的应用。

门思科技总经理赵明飞表示：“为了加快实现‘双碳’目标，打赢‘蓝天保卫战’，门思科技通过利用Semtech公司的LoRa技术，实现了在农村地区建设低功耗广覆盖的物联网网络的目标，基于Semtech SX1301器件的解决方案不仅具有远距离、低功耗和易部署的特性，其多信道能力更为彻底地解决了系统拥塞和冲突问题，可轻松将数万只空气源热泵连接起来，实现对空气源热泵的有效监测，为政府制定煤改电相关政策提供合理支撑。”

从2014年开始，门思科技一直致力于开发基于LoRa的产品和解决方案，拥有丰富的应用和项目经验，门思科技的LoRa解决方案主要聚焦在资产管理、环境监测和能源管理三个方向，主要业务场景在工业园区和办公楼宇，旨在帮助用户提供一站式传感器解决方案。目前门思科技正在基于LoRa的低功耗定位技术上投入大量的研发力量，计划年内实现不同场景下基于LoRa的低功耗定位系统解决方案，为用户提供一站式传感器解决方案。

作为一家全球化的物联网企业，门思科技拥有基于LoRa的全频段产品体系，产品应用覆盖了包括南美、欧洲、非洲、东南亚、俄罗斯、韩国等多个地区和国家。而门思科技在国内不同垂直行业中得到了充分验证的、各种基于LoRa的物联网解决方案，与全球不同地域、不同行业的用户需求相结合，开发了很多创新的应用。

Semtech中国区销售副总裁黄旭东表示：“努力降低对环境的影响一直是Semtech所追求的目标之一，门思科技应用LoRa技术来使天空更加蔚蓝，我们为此倍感骄傲。同时，我们也欣慰地看到门思科技以及众多LoRa生态伙伴使LoRa充分发挥了自组、安全、可控的特性，为中国和全球各地的用户提供了高效而便捷的解决方案，为人们创建更美好的生活。”

关于Semtech LoRa^®平台

Semtech的LoRa器件到云（Device-to-Cloud）平台是已在全球被广泛采用的远距离、低功耗物联网应用解决方案，能够在全球范围内快速开发和部署超低功耗、高性价比、长覆盖距离的物联网网络、网关、传感器、模块产品和物联网服务。Semtech的LoRa器件为LoRaWAN^®协议提供通信层，该协议由LoRa联盟（LoRa Alliance^®）开放和维护；LoRa联盟是一个面向低功耗广域网（LPWAN）应用的物联网行业联盟，其成员已在超过100多个国家和地区部署了物联网网络。Semtech是LoRa联盟的创始成员之一。了解更多LoRa的物联网应用，请访问Semtech的LoRa网站：www.semtech.cn/lora

关于Semtech

Semtech Corporation（升特半导体）是全球领先的半导体解决方案供应商，为基础设施、高端消费者和工业设备提供高性能模拟和混合信号半导体产品以及先进算法。其产品设计旨在造福工程领域乃至全球社区。公司致力于降低自身及其产品对环境的影响，公司内部的绿色项目通过材料和制造工艺控制、绿色技术的使用，以及节省资源的设计来减少浪费。Semtech于1967年上市，在纳斯达克全球精选市场的股票代码为SMTC。官网：www.semtech.cn

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微美全息CEO石硕表示：“微美全息此次推出“WiMi HoloVR”产品，在图像色彩管理、可对接的设备以及佩戴体验感等方面加速了迭代，这也为我们在元宇宙场景拓展中打下了坚实的基础。随着元宇宙的普及和技术的突破，人们对AR和VR产品的需求将继续增长。微美全息的全息XR头戴式显示器产品“WiMi Hologram SoftLight”和“WiMi HoloPluse LiDAR”，已经获得美国联邦通信管理局（FCC）许可并批准进入美国市场。微美全息推出的“WiMi HoloVR”，将广泛应用在虚拟社交、虚拟娱乐、虚拟教育、虚拟通讯等领域。今年上半年，微美全息的全球营业收入同比增长约202.2%，微美全息的毛利润同比增长189.8%，微美全息的净利润同比增长40.3%,微美全息的研发费用同比增长463.6%。微美全息加大研发投入，以保持公司在元宇宙和全息AR行业的领先竞争优势。随着元宇宙应用的广泛普及, 微美全息所在的全息云和VR行业将会出现爆发性成长。我们将抓住元宇宙市场增长机会，不断完善我们的元宇宙产品矩阵，扩大我们的元宇宙市场份额，从而继续为公司的股东创造长期价值。”

关于微美全息

微美全息成立于2015年，纳斯达克股票代码：WiMi。微美全息专注于全息云服务，主要聚集在车载AR全息HUD、3D全息脉冲LiDAR、头戴光场全息设备、全息半导体、全息云软件、全息汽车导航、元宇宙全息AR/VR设备、元宇宙全息云软件等专业领域,覆盖从全息车载AR技术、3D全息脉冲LiDAR技术、全息视觉半导体技术、全息软件开发、全息AR虚拟广告技术、全息AR虚拟娱乐技术、全息ARSDK支付、互动全息虚拟通讯、元宇宙全息AR技术，元宇宙虚拟云服务等全息AR技术的多个环节，是一家全息云综合技术方案提供商。

稿源：美通社