【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施優化後
，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。對於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
，模擬整個信號鏈。

多快好省

針對同一線路上共享電源和數據

，目前有多種標準，包括針對數據線供電(PoDL)的IEEE 802.3bu，以及針對以太網供電(PoE)的IEEE 802.3af，采用帶有專用電源接口控製器。這些定義的標準通過檢測、連接檢查、分類和開/關故障監測，提供了受控的安全電源連接。在安全供電情況下
，功率水平範圍為幾瓦至幾十瓦。與適用於廣泛應用的標準化PoE/PoDL規範相反，術語“工程電源(EP)”是指定製的數據線供電設計
，通常用於單個應用。例如
，針對電機控製編碼器應用，Hiperface DSL規範1將電源和數據耦合至同一線路。工程電源還可用於一些現代傳感器係統中。

yibandegongxiangdianyuanheshujujiekoujingguobianma，kejianshaoxinhaozhiliuchengfen，congerzaifasongjiaoliuxinhaochengfenshijianhuaxitongsheji。danshi，xuduoshuzishuchuchuanganqijiekou（例如

，SPI和I2C）尚未經過編碼
，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進行編碼需要額外的微控製器

，這會增加解決方案的成本和尺寸
，如圖1所(suo)示(shi)。為(wei)了(le)免(mian)去(qu)編(bian)碼(ma)和(he)額(e)外(wai)增(zeng)加(jia)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)麻(ma)煩(fan)，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)必(bi)須(xu)嚐(chang)試(shi)采(cai)用(yong)多(duo)快(kuai)好(hao)省(sheng)的(de)辦(ban)法(fa)，這(zhe)就(jiu)需(xu)要(yao)仔(zai)細(xi)設(she)計(ji)和(he)模(mo)擬(ni)工(gong)程(cheng)電(dian)源(yuan)電(dian)路(lu)。工(gong)程(cheng)電(dian)源(yuan)電(dian)路(lu)由(you)電(dian)感(gan)、電容和保護電路組成
，一起構成了一個濾波器。

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複雜性方麵進行了權衡

工程電源背景

功gong率lv和he數shu據ju通tong過guo電dian感gan電dian容rong網wang絡luo分fen布bu在zai一yi對dui電dian線xian上shang。高gao頻pin數shu據ju通tong過guo串chuan聯lian電dian容rong與yu數shu據ju線xian路lu耦ou合he，同tong時shi保bao護hu通tong信xin收shou發fa器qi免mian受shou直zhi流liu母mu線xian電dian壓ya影ying響xiang。主zhu控kong製zhi器qi上shang的de電dian源yuan通tong過guo電dian感gan器qi連lian接jie到dao數shu據ju線xian路lu，然ran後hou使shi用yong電dian纜lan遠yuan端duan的de子zi節jie點dian傳chuan感gan器qi節jie點dian上shang的de電dian感gan器qi進jin行xing濾lv波bo。

電(dian)感(gan)電(dian)容(rong)網(wang)絡(luo)將(jiang)產(chan)生(sheng)高(gao)通(tong)濾(lv)波(bo)器(qi)，因(yin)此(ci)耦(ou)合(he)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)必(bi)須(xu)添(tian)加(jia)到(dao)不(bu)需(xu)要(yao)直(zhi)流(liu)數(shu)據(ju)成(cheng)分(fen)的(de)數(shu)據(ju)線(xian)上(shang)。但(dan)是(shi)，有(you)些(xie)接(jie)口(kou)未(wei)在(zai)物(wu)理(li)層(ceng)進(jin)行(xing)編(bian)碼(ma)以(yi)去(qu)除(chu)直(zhi)流(liu)成(cheng)分(fen)，例(li)如(ru)
，SPI。在這種情況下
，係統設計人員需考慮最壞情況的直流成分場景，即數據幀中發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)，超過該頻率時，電感值會下降
，寄生電容會增加。這樣
，工程電源電路將同時充當低通和高通濾波器（帶通）。基於模擬的建模可大大幫助係統設計人員了解該限製。

長距離移植SPI時，電纜和元件會影響係統時鍾和數據同步。可能的最大SPI時(shi)鍾(zhong)基(ji)於(yu)係(xi)統(tong)傳(chuan)輸(shu)延(yan)遲(chi)設(she)置(zhi)，包(bao)括(kuo)電(dian)纜(lan)傳(chuan)輸(shu)延(yan)遲(chi)，以(yi)及(ji)主(zhu)節(jie)點(dian)和(he)子(zi)節(jie)點(dian)元(yuan)件(jian)傳(chuan)輸(shu)延(yan)遲(chi)。雖(sui)然(ran)本(ben)文(wen)未(wei)作(zuo)進(jin)一(yi)步(bu)討(tao)論(lun)，但(dan)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)應(ying)意(yi)識(shi)到(dao)該(gai)額(e)外(wai)限(xian)製(zhi)，更(geng)多(duo)信(xin)息(xi)請(qing)參(can)考(kao)文(wen)章(zhang)“為工業4.0啟用可靠的基於狀態的有線監控——第2部分”。2

圖2所示為簡化的工程電源電路，可用於進行濾波或下降電壓和下降時間分析。受數據線供電網絡電感的影響，通信總線電壓會下降，如圖3所示。電壓下降分析很重要，因為當電壓下降超過峰值電壓的99%時，網絡中會出現位錯誤。可將係統設計為符合特定的電壓下降和時間下降規範。例如，1000BASE-T以太網假設500 ns內的電壓下降為27%
，3如圖3所示。

圖2.工程電源，用於分析的簡化電路

圖3.電壓下降和下降時間

等式1至等式6tigongdianganzhihedianrongzhi，yihuodemubiaodianyaxiajiangzhihexiajiangshijian。jiashezaidianyaxiajiangqijian，gezhidianrongjiandedianyabianhuakehulvebuji，zedechuyixiabiaodashi，yiqiuquchuanlianLR電路的電壓下降值：

基於目標下降、下降時間和電阻，該等式提供了求取電感的表達式：4

通過以下等式求出串聯RLC電路的阻尼比：

假設臨界阻尼係統的ζ = 1，則給出了用於求取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：

對於臨界阻尼係統：

為什麼使用LTspice來進行工程電源模擬？

使用LTspice進行工程電源模擬有幾個令人信服的原因
，包括：

●     真實電感模型，包括可使模擬與真實性能更緊密相關的器件寄生效應。LTspice庫中具有數以千計的電感模型
，由眾多知名製造商（Würth
、Murata、Coilcraft和Bourns）提供。

●     提供適用於ADI物理層通信收發器的LTspice模型以支持多種接口標準（CAN、RS-485），而其他半導體製造商通常不提供。

●     靈活的LTspice波形查看器可用於對數據線供電設計進行快速的數值評估。

●     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穩壓器和開關穩壓器）的速度非常快，用戶僅需幾分鍾即可查看大部分開關穩壓器的波形。

●     現成LTspice演示電路減少了原理圖采集時間。

●     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，可供您用於完成剩餘的設計部分。

使用LTspice進行下降分析

圖4提供了簡化的數據線供電模擬電路。該電路使用LTC2862 RS-485收發器LTspice宏模型和1 mH電感(Würth 74477830)。LTspice中的真實電感模型包括可使模擬與真實設計性能更緊密相關的器件寄生效應。隔直電容值為10 µF。一般來說，使用較大的電感值和電容值可降低通信網絡上的數據速率性能。模擬測試用例的數據速率為250 kHz，這大致相當於通過RS-485接口移植時鍾同步SPI時100米的電纜通信2。模擬中使用的輸入電壓波形對應於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（無通信錯誤）。圖6所示為用於進行下降分析的總線電壓差分波形（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總線差分電壓V(A,B)以及下降點X和Y的模擬結果

圖6.點X和Y的下降分析

使用圖5和圖6的LTspice波形測量V_DROOP、V_PEAK和T_DROOP。然後


，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點進行的測量最準確
，產生了約為1 mH的正確電感值。高通濾波器頻率（等式6）就是下降時間和電壓的函數，對於點X，1位（半個時鍾周期）的頻率約等於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
，值得注意的是
，建議使用C8電容來降低傳感器上的電壓過衝（功率提取節點上的V_POUT）。添加C8以後，過衝最大值為47 mV，並且在1.6 ms內建立至所需5 VDC的1 mV以內。在不使用C8電容的情況下進行模擬導致係統欠阻尼，過衝值為600 mV，並且與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值小於10 µF隔直電容值
，因為電路包含額外的串聯電容（1 µF、100 µF），且可能出現過阻尼，這與等式1至等式6的計算相矛盾。

表1.下降分析：使用V_DROOP/V_PEAK和T_DROOP測定電路電感和電容

使用LTspice模擬更複雜的供電電路

在傳感器節點添加LDO穩壓器或DC-DC轉換器可實現在標準工業電壓軌（例如
，12 VDC和24 VDC）上從主節點供電。LDO穩壓器或DC-DC開關穩壓器的選擇取決於應用要求。如果應用使用12 VDC電壓軌
，則LDO穩壓器可能適合用來實現超低噪聲性能，並且在傳感器子節點產生可接受的功耗。對於24 VDC電壓軌，建議使用效率更高的DC-DC開關穩壓器來降低功耗。ADI的低噪聲Silent Switcher®架構確保可實現更高的能效和低噪聲。

24 VDC廣泛用於鐵路、工業自動化、航空航天和防務應用中。適用於鐵路用電子裝置的EN 50155標準5規定了24 VDC的標稱輸入電壓，但標稱輸入變化為0.7 V_IN至1.25 V_IN，規定的擴展範圍為0.6 × V_IN至1.4 × V_IN。因此
，應用中使用的DC-DC器件需要14.4 VDC至33.6 VDC的較寬輸入範圍。

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的較寬輸入範圍，非常適用於鐵路車輛監控中所用的空間受限振動傳感器。

圖7複製了圖4的原理圖，增加了LTM8002，從主節點輸送至子節點傳感器的電源為24 VDC。模擬顯示在LTM8002上達到所需5 VDC±1%的輸出電壓需要1ms的斜坡時間。建議設計人員在上電時實施2 ms至3 ms時間延遲
，然後再啟動主節點和子節點之間的通信。這將確保在傳感器節點輸出端獲得有效數據。

圖7.在傳感器子節點(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V_POUT上達到所需5 VDC的斜坡時間為1 ms，2 ms至3 ms後在V_OUT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
，並使用LTspice進行模擬（參見圖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值的見解。

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。關於使用LTspice開發定製的模數轉換器模型，Erick Cook提供了有用的實踐指南。7

有200多種運算放大器模型可供選擇，包括ADA4807和ADA4805係列。可提供基準電壓宏模型（例如，ADR4525和LTC6655-5），以及ADA4807-1基準電壓緩衝器。

Simon Bramble在他的一篇關於狀態監控係統的文章中介紹了如何使用LTspice來分析振動數據的頻譜。8 Simon的文章提供了關於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LTspice拉普拉斯格式使用串聯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時為3 dB。對於交流分析，最好在LTspice中使用Laplace電路，但對於瞬態分析
，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（簡圖—未顯示所有連接和無源器件）

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時為3 dB。

對於模擬輸出加速度計（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時的信號頻率。圖11複製了圖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時運算放大器的V_OUT為3 dB，而未濾波MEMS的輸出在11 kHz時為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。可使用模塊化方法構建和模擬完整的信號鏈，將有線接口和工程電源作為獨立的模塊添加。

對於瞬態模擬，可探測LTC2311-16 DIGITAL_OUT節點，以查看對應於MEMS電壓輸入(V_IN)的數字輸出。可修改LTC2311-16 LTspice模型，以減少串行時鍾和CNV接口時序，並且可將數字輸出基準OV_DD更改為1.71 V至2.5 V範圍內的任何值。一些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2.5 V下運行，從而為ADC數字輸出數據的有線流傳輸提供完美匹配。然後可使用LTC2865 V_CC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。

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（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)和濾波後的數字化輸出電壓(DIGITAL_OUT)

參考MEMS和工程電源評估平台

ADI的有線狀態監控平台為ADcmXL3021三軸振動傳感器提供工業有線鏈接解決方案。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
，通過數米長的電纜將發送至RS-485物理層的SPI轉化發送至遠程主控製器板。SPI到RS-485物理層的轉換可以使用隔離或非隔離的接口PCB實現
，其中包括iCoupler®隔離(ADuM5401/ADuM110N0)和RS-485/RS-422收發器(ADM4168E/ADM3066E)。該解決方案通過一根標準電纜（工程電源）將電能和數據結合在一起，從而降低了遠程MEMS傳感器節點的電纜和連接器成本。專用軟件GUI可以簡單配置ADcmXL3021器件，並在長電纜上捕捉振動數據。GUI軟件將數據可視化顯示為原始時間域或FFT波形。

圖14.數據線供電的有線振動監控。

結論

現代MEMS傳感器解決方案的體積小、集成度高，並且放置在振動源附近
，用於測量振動頻率。頻率隨時間的變化表明振動源（電機、發電機等）存在問題。頻率測量對於CbM而言至關重要。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，可用於模擬工程電源設計。數千個功率器件模型（包括LTM8002 Silent Switcher器件）可用於完成剩餘的設計部分。使用提供的ADC、運算放大器和MEMS模型，可實現完整的MEMS信號鏈模擬。

參考文獻

1 Hiperface DSL®—數字進化。SICK Sensor Intelligence，2020年10月。

2 Richard Anslow和Dara O’Sullivan。“為工業4.0啟用可靠的基於狀態的有線監控——第2部分。”ADI公司，2019年11月。

3 “IEEE 802.3bu-2016——IEEE以太網標準——修正案8：單根平衡雙絞線以太網由數據線供電(PoDL)的電線的物理層和管理參數。”IEEE，2017年2月。

4 Andy Gardner。“PoDL：去耦網絡演示。”淩力爾特
，2014年5月。

5“EN 50155:2017用於鐵路車輛的鐵路應用電子設備”。

6 Gabino Alonso 和 Kris Lokere。“LTspice：仿真SAR ADC模擬輸入。”ADI公司，2017年11月。

7 Erick Cook。“使用LTspice模擬混合連續采樣係統。” EDN Asia
，2020年1月。

8 Simon Bramble。“使用LTspice分析狀態監控係統中的振動數據。”《模擬對話》，第54卷 第2期，2020年6月。

作者簡介

Richard Anslow是ADIgongsizidonghuayunengyuanyewubuhulianyundonghejiqirentuanduidexitongyingyonggongchengshi。tadezhuanchanglingyushijiyuzhuangtaidejiancehegongyetongxinsheji。tayongyouaierlanlimolikedaxuebanfadegongchengxueshixueweihegongchengshuoshixuewei。lianxifangshi：richard.anslow@analog.com。

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