本文是從LTspice到QSPICE的四部分系列文章中的第一篇，介紹了一個(gè)LED閃光燈電路，我們將用這兩個(gè)程序進(jìn)行模擬。

SPICE模擬對(duì)于測(cè)試、表征和改進(jìn)最終將在實(shí)驗(yàn)室中構(gòu)建或作為組裝PCB生產(chǎn)的電路非常寶貴。在我看來，它們也是一種很好的方式，通常是最好的方式，可以更徹底地理解不同電路及其組件的功能。

簡(jiǎn)而言之，SPICE模擬器是現(xiàn)代工程師和工程專業(yè)學(xué)生的重要工具。尤其是LTspice已經(jīng)成為電氣工程界的傳奇。它功能強(qiáng)大，應(yīng)用廣泛，并擁有眾多IC宏模型。最重要的是，它完全免費(fèi)。

我作為設(shè)計(jì)工程師和技術(shù)作家使用LTspice多年，我非常尊重它的計(jì)算能力和各種分析工具。然而，截至2023年，城里有一個(gè)新的SPICE模擬器：QSPICE。

與LTspice一樣，QSPICE也是由Mike Engelhardt開發(fā)的。它完全免費(fèi)使用，而且——至少乍一看——它似乎提供了LTspice所做的一切，甚至更多。例如，如果你進(jìn)行涉及大量數(shù)字邏輯的電路模擬，QSPICE代表了一個(gè)巨大的改進(jìn)：它結(jié)合了C++和Verilog編譯器，可以方便有效地模擬廣泛的數(shù)字功能。

根據(jù)擁有QSPICE的Qorvo公司的說法，其他賣點(diǎn)包括更快的模擬、更高的精度、改進(jìn)的可靠性、高性能SiC模型的訪問和高質(zhì)量的圖形。在介紹該軟件的視頻中，恩格爾哈特先生甚至表示QSPICE“將改變你的生活”。當(dāng)然，這些觀點(diǎn)并不完全公正。如果我們要考慮從LTspice遷移，我們需要知道QSPICE的表現(xiàn)如何。

了解新仿真軟件的最佳方式是跳進(jìn)去并開始仿真。在本文中，我們將在LTspice中創(chuàng)建一個(gè)電路，并檢查其電流-電壓關(guān)系。在后續(xù)文章中，我們將繼續(xù)分析QSPICE中的電路。我們還將討論將電路原理圖從一個(gè)程序移動(dòng)到另一個(gè)程序的挑戰(zhàn)。

示例電路

圖1顯示了我們將要研究的電路：一個(gè)基于飛兆半導(dǎo)體QTLP690C系列的雙晶體管LED閃光燈。

LTspice中的雙晶體管LED閃光燈電路示意圖。

圖1 LTspice中的雙晶體管LED閃光燈電路示意圖。圖片由Robert Keim提供

這是一個(gè)操作細(xì)節(jié)復(fù)雜的簡(jiǎn)單電路。LED閃光燈的整體功能并不令人興奮，但即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的電路設(shè)計(jì)師也可能很難準(zhǔn)確解釋其組件的電相互作用是如何產(chǎn)生短周期的LED光脈沖的。對(duì)于那些對(duì)電路分析相對(duì)較新的人，或者主要設(shè)計(jì)數(shù)字電路的人來說，閃光燈的操作可能會(huì)讓人完全困惑。

在這種情況下，我要做的第一件事是啟動(dòng)SPICE模擬器，開始研究電壓和電流關(guān)系——這正是我們要做的，首先在LTspice中，然后在QSPICE中。雖然本系列最終是關(guān)于模擬器的，而不是被模擬的電路，但我們也應(yīng)該更好地了解LED閃光燈的行為。

有了這些，讓我們開始我們的模擬。

LTspice中的關(guān)鍵電流和電壓

為了確定照明行為，我們可以進(jìn)行基本的瞬態(tài)分析，并繪制通過LED的電流圖。如圖2所示。

在10秒的時(shí)間間隔內(nèi)通過LED的電流。

圖2 在10秒的時(shí)間間隔內(nèi)通過LED的電流。圖片由Robert Keim提供

圖3提供了LED亮起時(shí)電流的放大視圖。

LED亮起時(shí)通過LED的電流。

圖3 LED亮起時(shí)通過LED的電流。圖片由Robert Keim提供

眨眼持續(xù)時(shí)間約為7.2毫秒，每秒約有2.8次眨眼。我立刻想到了兩個(gè)問題：

是什么導(dǎo)致了模擬開始時(shí)的延遲？

這是否足以點(diǎn)亮LED？

讓我們簡(jiǎn)要地回答這兩個(gè)問題。

是什么導(dǎo)致了延誤？

有了這樣的延遲，我們應(yīng)該本能地懷疑儲(chǔ)能元件。為了測(cè)試這種懷疑，圖4添加了一個(gè)閃光燈電路電容器（C1）兩端電壓的軌跡。

顯示LED正向電流和電容器兩端電壓的仿真圖。

圖4 通過LED的電流（綠色軌跡）和電容器兩端的電壓（橙色軌跡）。圖片由Robert Keim提供

從圖4中可以清楚地看出，電容器的電壓最初為非零。只有當(dāng)電容器放電到一定水平時(shí)，才會(huì)開始閃爍。為了糾正這一點(diǎn)，我們?cè)贚Tspice的組件屬性編輯器中將初始電容器電荷設(shè)置為零。該過程如圖5所示。

在LTspice的組件屬性編輯器中指定C1的初始電荷。

圖5 在LTspice的組件屬性編輯器中指定C1的初始電荷。圖片由Robert Keim提供

圖6顯示了新的模擬結(jié)果。

當(dāng)電容器的初始電壓設(shè)置為零時(shí)，通過LED的電流。

圖6當(dāng)電容器的初始電壓設(shè)置為零時(shí)，電流通過LED一次。圖片由Robert Keim提供

正如你所看到的，我們已經(jīng)成功地消除了延誤。

我們有足夠的正向電流嗎？

我們的模擬圖顯示，當(dāng)LED打開時(shí)，正向電流約為8mA。為了確認(rèn)這足以滿足LED照明，我們可以檢查與我們的SPICE模型相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表。正如我在本文前面提到的，我們的模擬電路基于QTLP690C表面貼裝LED燈。

圖7取自QTLP690C的數(shù)據(jù)表。它繪制了20mA下LED的相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度與直流正向電流的關(guān)系圖。

LED的相對(duì)亮度與直流正向電流。

圖7 相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度（在20mA下歸一化）與直流正向電流的關(guān)系。圖片由Mouser Electronics提供

根據(jù)該圖，8mA的正向電流將為我們提供20mA時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)度的約40%。20mA時(shí)的典型發(fā)光強(qiáng)度如表1所示。

表1 QTLP690C LED在20mA正向電流下的預(yù)期發(fā)光強(qiáng)度。數(shù)據(jù)由Mouser Electronics提供

QTLP690C LED在20mA正向電流下的預(yù)期發(fā)光強(qiáng)度。

除QTLP690C-AG外，20mA正向電流通常產(chǎn)生35mcd的發(fā)光強(qiáng)度。其中40% 將是14 mcd。即使勉強(qiáng)能看到，也足夠明亮。

下一篇

雖然本篇文章結(jié)束了，但我們的分析還遠(yuǎn)未結(jié)束。在下一篇文章中，我們將把這個(gè)電路移到QSPICE中。一旦我們做到了這一點(diǎn)，我們將使用QSPICE模擬來收集額外的信息，并將其拼湊成更完整的LED閃光燈操作圖。