【導讀】本文為設計人員提供了使用LTspice?模擬工程電源解決方案的背景和指導。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以及運算放大器、模數轉換器(ADC)甚至可用的MEMS頻率響應模型，模擬整個(gè)信號鏈。
多快好省
針對同一線(xiàn)路上共享電源和數據，目前有多種標準，包括針對數據線(xiàn)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(zhuān)用電源接口控制器。這些定義的標準通過(guò)檢測、連接檢查、分類(lèi)和開(kāi)/關(guān)故障監測，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。與適用于廣泛應用的標準化PoE/PoDL規范相反，術(shù)語(yǔ)“工程電源(EP)”是指定制的數據線(xiàn)供電設計，通常用于單個(gè)應用。例如，針對電機控制編碼器應用，Hiperface DSL規范1將電源和數據耦合至同一線(xiàn)路。工程電源還可用于一些現代傳感器系統中。
一般的共享電源和數據接口經(jīng)過(guò)編碼，可減少信號直流成分，從而在發(fā)送交流信號成分時(shí)簡(jiǎn)化系統設計。但是，許多數字輸出傳感器接口（例如，SPI和I2C）尚未經(jīng)過(guò)編碼，具有可變的信號直流成分，因此不是共享數據和電源設計的自然之選。對SPI或I2C進(jìn)行編碼需要額外的微控制器，這會(huì )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，設計人員必須嘗試采用多快好省的辦法，這就需要仔細設計和模擬工程電源電路。工程電源電路由電感、電容和保護電路組成，一起構成了一個(gè)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計復雜性方面進(jìn)行了權衡
工程電源背景
功率和數據通過(guò)電感電容網(wǎng)絡(luò )分布在一對電線(xiàn)上。高頻數據通過(guò)串聯(lián)電容與數據線(xiàn)路耦合，同時(shí)保護通信收發(fā)器免受直流母線(xiàn)電壓影響。主控制器上的電源通過(guò)電感器連接到數據線(xiàn)路，然后使用電纜遠端的子節點(diǎn)傳感器節點(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據成分的數據線(xiàn)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，系統設計人員需考慮最壞情況的直流成分場(chǎng)景，即數據幀中發(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(guò)該頻率時(shí)，電感值會(huì )下降，寄生電容會(huì )增加。這樣，工程電源電路將同時(shí)充當低通和高通濾波器（帶通）?；谀M的建?？纱蟠髱椭到y設計人員了解該限制。
長(cháng)距離移植SPI時(shí)，電纜和元件會(huì )影響系統時(shí)鐘和數據同步?？赡艿淖畲骃PI時(shí)鐘基于系統傳輸延遲設置，包括電纜傳輸延遲，以及主節點(diǎn)和子節點(diǎn)元件傳輸延遲。雖然本文未作進(jìn)一步討論，但設計人員應意識到該額外限制，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(xiàn)監控——第2部分”。2
圖2所示為簡(jiǎn)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(shí)間分析。受數據線(xiàn)供電網(wǎng)絡(luò )電感的影響，通信總線(xiàn)電壓會(huì )下降，如圖3所示。電壓下降分析很重要，因為當電壓下降超過(guò)峰值電壓的99%時(shí)，網(wǎng)絡(luò )中會(huì )出現位錯誤?？蓪⑾到y設計為符合特定的電壓下降和時(shí)間下降規范。例如，1000BASE-T以太網(wǎng)假設500 ns內的電壓下降為27%，3如圖3所示。
圖2.工程電源，用于分析的簡(jiǎn)化電路
圖3.電壓下降和下降時(shí)間
等式1至等式6提供電感值和電容值，以獲得目標電壓下降值和下降時(shí)間。假設在電壓下降期間，隔直電容間的電壓變化可忽略不計，則得出以下表達式，以求取串聯(lián)LR電路的電壓下降值：
基于目標下降、下降時(shí)間和電阻，該等式提供了求取電感的表達式：4
通過(guò)以下等式求出串聯(lián)RLC電路的阻尼比：
假設臨界阻尼系統的ζ = 1，則給出了用于求取C的表達式：
代入上述求C和L的表達式，得出電路高通濾波器的截止頻率：
對于臨界阻尼系統：
為什么使用LTspice來(lái)進(jìn)行工程電源模擬？
使用LTspice進(jìn)行工程電源模擬有幾個(gè)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。LTspice庫中具有數以千計的電感模型，由眾多知名制造商（Würth、Murata、Coilcraft和Bourns）提供。
● 提供適用于A(yíng)DI物理層通信收發(fā)器的LTspice模型以支持多種接口標準（CAN、RS-485），而其他半導體制造商通常不提供。
● 靈活的LTspice波形查看器可用于對數據線(xiàn)供電設計進(jìn)行快速的數值評估。
● 與普通SPICE模擬器相比，借助LTspice的增強功能，模擬功耗器件（例如，LDO穩壓器和開(kāi)關(guān)穩壓器）的速度非?？?，用戶(hù)僅需幾分鐘即可查看大部分開(kāi)關(guān)穩壓器的波形。
● 現成LTspice演示電路減少了原理圖采集時(shí)間。
● 有1000多種ADI功率器件模型、200多種運算放大器模型和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計部分。
使用LTspice進(jìn)行下降分析
圖4提供了簡(jiǎn)化的數據線(xiàn)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)設計性能更緊密相關(guān)的器件寄生效應。隔直電容值為10 μF。一般來(lái)說(shuō)，使用較大的電感值和電容值可降低通信網(wǎng)絡(luò )上的數據速率性能。模擬測試用例的數據速率為250 kHz，這大致相當于通過(guò)RS-485接口移植時(shí)鐘同步SPI時(shí)100米的電纜通信2。模擬中使用的輸入電壓波形對應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。模擬結果如圖5和圖6所示。輸入電壓波形(VIN)與遠程受電器件的輸出相匹配（無(wú)通信錯誤）。圖6所示為用于進(jìn)行下降分析的總線(xiàn)電壓差分波形（電壓A到電壓B）的放大圖。從L2電感中提取的遠程傳感器節點(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(xiàn)差分電壓V(A,B)以及下降點(diǎn)X和Y的模擬結果
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計算L值和C值。如表1所示，計算出的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(shí)間和電壓的函數，對于點(diǎn)X，1位（半個(gè)時(shí)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。
運行圖4所示的模擬時(shí)，值得注意的是，建議使用C8電容來(lái)降低傳感器上的電壓過(guò)沖（功率提取節點(diǎn)上的VPOUT）。添加C8以后，過(guò)沖最大值為47 mV，并且在1.6 ms內建立至所需5 VDC的1 mV以?xún)?。在不使用C8電容的情況下進(jìn)行模擬導致系統欠阻尼，過(guò)沖值為600 mV，并且與5 VDC目標存在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，因為電路包含額外的串聯(lián)電容（1 μF、100 μF），且可能出現過(guò)阻尼，這與等式1至等式6的計算相矛盾。
表1.下降分析：使用VDROOP/VPEAK和TDROOP測定電路電感和電容
使用LTspice模擬更復雜的供電電路
在傳感器節點(diǎn)添加LDO穩壓器或DC-DC轉換器可實(shí)現在標準工業(yè)電壓軌（例如，12 VDC和24 VDC）上從主節點(diǎn)供電。LDO穩壓器或DC-DC開(kāi)關(guān)穩壓器的選擇取決于應用要求。如果應用使用12 VDC電壓軌，則LDO穩壓器可能適合用來(lái)實(shí)現超低噪聲性能，并且在傳感器子節點(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(kāi)關(guān)穩壓器來(lái)降低功耗。ADI的低噪聲Silent Switcher?架構確?？蓪?shí)現更高的能效和低噪聲。
24 VDC廣泛用于鐵路、工業(yè)自動(dòng)化、航空航天和防務(wù)應用中。適用于鐵路用電子裝置的EN 50155標準5規定了24 VDC的標稱(chēng)輸入電壓，但標稱(chēng)輸入變化為0.7 VIN至1.25 VIN，規定的擴展范圍為0.6 × VIN至1.4 × VIN。因此，應用中使用的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(chē)輛監控中所用的空間受限振動(dòng)傳感器。
圖7復制了圖4的原理圖，增加了LTM8002，從主節點(diǎn)輸送至子節點(diǎn)傳感器的電源為24 VDC。模擬顯示在LTM8002上達到所需5 VDC±1%的輸出電壓需要1ms的斜坡時(shí)間。建議設計人員在上電時(shí)實(shí)施2 ms至3 ms時(shí)間延遲，然后再啟動(dòng)主節點(diǎn)和子節點(diǎn)之間的通信。這將確保在傳感器節點(diǎn)輸出端獲得有效數據。
圖7.在傳感器子節點(diǎn)(LTM8002)使用ADI的低噪聲Silent Switcher器件可為電源軌設計提供更大的靈活性
圖8.在VPOUT上達到所需5 VDC的斜坡時(shí)間為1 ms，2 ms至3 ms后在VOUT上獲得有效數據
完整的MEMS信號鏈模擬
ADI公司提供很多設計筆記，可幫助設計人員完成MEMS信號鏈設計，并使用LTspice進(jìn)行模擬（參見(jiàn)圖9）。雖然很多MEMS均為數字輸出，但也有很多高性能傳感器具有模擬輸出。模擬運算放大器和ADC信號鏈可在完成硬件設計構建之前提供有價(jià)值的見(jiàn)解。
如要分析低通濾波、放大器和ADC輸入對傳感器數據的影響，設計人員可參考Gabino Alonso和Kris Lokere提供的LTspice基準電路。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(kāi)發(fā)定制的模數轉換器模型，Erick Cook提供了有用的實(shí)踐指南。7
有200多種運算放大器模型可供選擇，包括ADA4807和ADA4805系列?？商峁┗鶞孰妷汉昴Ｐ停ɡ?，ADR4525和LTC6655-5），以及ADA4807-1基準電壓緩沖器。
Simon Bramble在他的一篇關(guān)于狀態(tài)監控系統的文章中介紹了如何使用LTspice來(lái)分析振動(dòng)數據的頻譜。8 Simon的文章提供了關(guān)于格式化和分析捕獲的傳感器數據的有用提示。
圖10所示為ADXL1002低噪聲、±50 g MEMS加速度計頻率響應的LTspice模型示例。以L(fǎng)Tspice拉普拉斯格式使用串聯(lián)LRC電路與MEMS頻率響應很接近。模擬模型與數據表典型性能保持較好的一致性，諧振頻率為21 kHz，在11 kHz時(shí)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(jiǎn)圖—未顯示所有連接和無(wú)源器件）
圖10.(a) MEMS頻率響應的Laplace模型，(b)圖顯示諧振頻率為21 kHz，在11 kHz時(shí)為3 dB。
對于模擬輸出加速度計（例如，ADXL1002），帶寬的定義為對直流（或低頻）加速度的響應降至–3 dB時(shí)的信號頻率。圖11復制了圖10的MEMS頻率響應模型，但還包括運算放大器的濾波器電路。使用該濾波器電路，可在3 dB內測量更多的MEMS頻率響應。該圖顯示，在17 kHz時(shí)運算放大器的VOUT為3 dB，而未濾波MEMS的輸出在11 kHz時(shí)為3 dB。
圖12包括MEMS輸入模型（圖10中的分立式RLC）、運算放大器濾波和16位LTC2311-16 SAR ADC模型?？墒褂媚K化方法構建和模擬完整的信號鏈，將有線(xiàn)接口和工程電源作為獨立的模塊添加。
對于瞬態(tài)模擬，可探測LTC2311-16 DIGITAL_OUT節點(diǎn)，以查看對應于MEMS電壓輸入(VIN)的數字輸出?？尚薷腖TC2311-16 LTspice模型，以減少串行時(shí)鐘和CNV接口時(shí)序，并且可將數字輸出基準OVDD更改為1.71 V至2.5 V范圍內的任何值。一些RS-485收發(fā)器（例如，LTC2865）包括一個(gè)邏輯接口引腳VL，該引腳可在1.8 V或2.5 V下運行，從而為ADC數字輸出數據的有線(xiàn)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下單獨為RS-485接口供電，以提供電壓更高的電纜驅動(dòng)。
圖11.(a) MEMS頻率響應和濾波器模型，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)和濾波后的數字化輸出電壓(DIGITAL_OUT)
參考MEMS和工程電源評估平臺
ADI的有線(xiàn)狀態(tài)監控平臺為ADcmXL3021三軸振動(dòng)傳感器提供工業(yè)有線(xiàn)鏈接解決方案。硬件信號鏈由ADcmXL3021加速度計組成，SPI和中斷輸出與接口PCB相連，通過(guò)數米長(cháng)的電纜將發(fā)送至RS-485物理層的SPI轉化發(fā)送至遠程主控制器板。SPI到RS-485物理層的轉換可以使用隔離或非隔離的接口PCB實(shí)現，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(guò)一根標準電纜（工程電源）將電能和數據結合在一起，從而降低了遠程MEMS傳感器節點(diǎn)的電纜和連接器成本。專(zhuān)用軟件GUI可以簡(jiǎn)單配置ADcmXL3021器件，并在長(cháng)電纜上捕捉振動(dòng)數據。GUI軟件將數據可視化顯示為原始時(shí)間域或FFT波形。
圖14.數據線(xiàn)供電的有線(xiàn)振動(dòng)監控。
結論
現代MEMS傳感器解決方案的體積小、集成度高，并且放置在振動(dòng)源附近，用于測量振動(dòng)頻率。頻率隨時(shí)間的變化表明振動(dòng)源（電機、發(fā)電機等）存在問(wèn)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省MEMS傳感器的連接器數量和電纜成本。LTspice是強大的免費模擬工具，可用于模擬工程電源設計。數千個(gè)功率器件模型（包括LTM8002 Silent Switcher器件）可用于完成剩余的設計部分。使用提供的ADC、運算放大器和MEMS模型，可實(shí)現完整的MEMS信號鏈模擬。
參考文獻
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2 Richard Anslow和Dara O’Sullivan?！盀楣I(yè)4.0啟用可靠的基于狀態(tài)的有線(xiàn)監控——第2部分?！盇DI公司，2019年11月。
3 “IEEE 802.3bu-2016——IEEE以太網(wǎng)標準——修正案8：?jiǎn)胃胶怆p絞線(xiàn)以太網(wǎng)由數據線(xiàn)供電(PoDL)的電線(xiàn)的物理層和管理參數?！盜EEE，2017年2月。
4 Andy Gardner?！癙oDL：去耦網(wǎng)絡(luò )演示?！绷枇柼?，2014年5月。
5“EN 50155:2017用于鐵路車(chē)輛的鐵路應用電子設備”。
6 Gabino Alonso 和 Kris Lokere?！癓Tspice：仿真SAR ADC模擬輸入?！盇DI公司，2017年11月。
7 Erick Cook?！笆褂肔Tspice模擬混合連續采樣系統?！?EDN Asia，2020年1月。
8 Simon Bramble?！笆褂肔Tspice分析狀態(tài)監控系統中的振動(dòng)數據?！薄赌M對話(huà)》，第54卷 第2期，2020年6月。
作者簡(jiǎn)介
Richard Anslow是ADI公司自動(dòng)化與能源業(yè)務(wù)部互連運動(dòng)和機器人團隊的系統應用工程師。他的專(zhuān)長(cháng)領(lǐng)域是基于狀態(tài)的監測和工業(yè)通信設計。他擁有愛(ài)爾蘭利默里克大學(xué)頒發(fā)的工程學(xué)士學(xué)位和工程碩士學(xué)位。聯(lián)系方式：richard.anslow@analog.com。
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