工程电源和MEMS信号链模拟，使用LTspice就能搞定~

来源:亚德诺半导体发布时间:2022-04-06384浏览

针对同一线路上共享电源和数据，目前有多种标准，包括针对数据线供电(PoDL)的IEEE 802.3bu，以及针对以太网供电(PoE)的IEEE 802.3af，采用带有专用电源接口控制器。这些定义的标准通过检测、连接检查、分类和开/关故障监测，提供了受控的安全电源连接。在安全供电情况下，功率水平范围为几瓦至几十瓦。

与适用于广泛应用的标准化PoE/PoDL规范相反，术语"工程电源(EP)"是指定制的数据线供电设计，通常用于单个应用。例如，针对电机控制编码器应用，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系统中。

一般的共享电源和数据接口经过编码，可减少信号直流成分，从而在发送交流信号成分时简化系统设计。但是，许多数字输出传感器接口（例如，SPI和I2C）尚未经过编码，具有可变的信号直流成分，因此不是共享数据和电源设计的自然之选。对SPI或I2C进行编码需要额外的微控制器，这会增加解决方案的成本和尺寸，如图1所示。为了免去编码和额外增加微控制器的麻烦，设计人员必须尝试采用多快好省的办法，这就需要仔细设计和模拟工程电源电路。工程电源电路由电感、电容和保护电路组成，一起构成了一个滤波器。

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寸和设计复杂性方面进行了权衡。

工程电源背景

功率和数据通过电感电容网络分布在一对电线上。高频数据通过串联电容与数据线路耦合，同时保护通信收发器免受直流母线电压影响。主控制器上的电源通过电感器连接到数据线路，然后使用电缆远端的子节点传感器节点上的电感器进行滤波。

电感电容网络将产生高通滤波器，因此耦合解决方案必须添加到不需要直流数据成分的数据线上。但是，有些接口未在物理层进行编码以去除直流成分，例如，SPI。在这种情况下，系统设计人员需考虑最坏情况的直流成分场景，即数据帧中发送的所有位均为逻辑高电平（100% 直流成分）。所选的电感还将具有指定的自谐振频率(SRF)，超过该频率时，电感值会下降，寄生电容会增加。这样，工程电源电路将同时充当低通和高通滤波器（带通）。基于模拟的建模可大大帮助系统设计人员了解该限制。

长距离移植SPI时，电缆和元件会影响系统时钟和数据同步。可能的最大SPI时钟基于系统传输延迟设置，包括电缆传输延迟，以及主节点和子节点元件传输延迟。虽然本文未作进一步讨论，但设计人员应意识到该额外限制，更多信息请参考文章 "为工业4.0启用可靠的基于状态的有线监控——第2部分"。

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间分析。受数据线供电网络电感的影响，通信总线电压会下降，如图3所示。电压下降分析很重要，因为当电压下降超过峰值电压的99%时，网络中会出现位错误。可将系统设计为符合特定的电压下降和时间下降规范。例如，1000BASE-T以太网假设500 ns内的电压下降为27%，如图3所示。

图2. 工程电源，用于分析的简化电路。

图3. 电压下降和下降时间。

等式1至等式6提供电感值和电容值，以获得目标电压下降值和下降时间。假设在电压下降期间，隔直电容间的电压变化可忽略不计，则得出以下表达式，以求取串联LR电路的电压下降值：

基于目标下降、下降时间和电阻，该等式提供了求取电感的表达式：

通过以下等式求出串联RLC电路的阻尼比：

假设临界阻尼系统的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：

对于临界阻尼系统：

为什么使用LTspice来进行工程电源模拟？

使用LTspice进行工程电源模拟有几个令人信服的原因，包括：

真实电感模型，包括可使模拟与真实性能更紧密相关的器件寄生效应。LTspice库中具有数以千计的电感模型，由众多知名制造商（Würth、Murata、Coilcraft和Bourns）提供。
提供适用于ADI物理层通信收发器的LTspice模型以支持多种接口标准（CAN、RS-485），而其他半导体制造商通常不提供。
灵活的LTspice波形查看器可用于对数据线供电设计进行快速的数值评估。
与普通SPICE模拟器相比，借助LTspice的增强功能，模拟功耗器件（例如，LDO稳压器和开关稳压器）的速度非常快，用户仅需几分钟即可查看大部分开关稳压器的波形。
现成LTspice演示电路减少了原理图采集时间。
有1000多种ADI功率器件模型、200多种运算放大器模型和ADC模型以及电阻、电容、晶体管和MOSFET模型，可供您用于完成剩余的设计部分。