为什么SIMPLIS在电源电路方面比SPICE更好-电子发烧友网

电源电路难以仿真;但是，仿真是帮助确保设计在生产中工作的重要方法。最后，仿真还可以节省时间和金钱。本应用笔记比较了两种功率仿真引擎SIMPLIS和SPICE，并说明了为什么SIMPLIS最终成为电源电路的更有效选择。

介绍

为了提高设计在生产中正常工作的机会，大多数工程师都转向仿真。它提供了对设计如何运作的评估，这可以节省设计过程中的时间，并最终节省成本。毕竟，重新设计和重新旋转PCB是一项昂贵的工作。还记得设计电路板、在实验室中测试、调试、重新设计并一次又一次地重复直到设计正确的日子吗？这种方法通常会延迟产品推出。更糟糕的是，有时在产品交付给客户之前，并非所有问题都被发现。

然而，电源管理工程师迟迟没有将仿真集成到他们的流程中。相比之下，半导体行业几十年前就认识到，只有完全模拟IC，才能取得成功。在制造第一批晶圆之前进行设计。例如，Maxim通过其数量来衡量仿真成功使用“第一块硅”投入生产的 IC。众所周知，电源和转换器很难仿真。此外，针对IC优化的仿真解决方案不一定是电源转换的最佳工具模拟。

也就是说，电源电路出现了两个仿真引擎：SIMPLIS 和 SPICE。在此应用说明，我们将比较两者，并研究为什么 SIMPLIS 引擎对电源设计更有效。

您的电源转换器设计有多健康？

有一组“生命体征”测试来确定电源转换器设计的健康和鲁棒性，这些测试是类似于医学生命体征，提供人类整体健康状况的概述。基于行业惯例， Maxim的EE-Sim设计生成和仿真环境将这些测试定义为：®

加载步骤

交流回路

稳态

线路瞬态

启动

效率

就像我们人类健康类比中测量患者的脉搏一样，负荷步骤可以说是最重要的生命体征在电源转换器设计中进行评估。就像一个人的脉搏随着运动而变化一样，功率的输出电压也会发生变化。当通过负载电流的变化来执行时，转换器会发生变化。负载阶跃仿真测量多少输出电压变化及其恢复速度。如果反馈电路设计不当，各种事情可能会发生。转换器可能会过冲或下冲太远、振铃过度、恢复太慢或中断例如，进入振荡。具有训练有素的眼睛的工程师可以定性地判断通过检查负载阶跃瞬态响应图来控制环路。为了更全面地了解“健康” 控制回路，使用交流回路分析。

查看频域中的控制环路，交流环路分析可以直接测量控制环路带宽和相位裕量（回到我们的人类健康示例，这一步就像抽取患者的血液压力）。交流分析，也称为小信号、波特或频率响应分析，需要专门的实验室中不常见的设备（示例包括 AP 仪器 AP300、奥密克戎 Bode 100 或安捷伦 4194A 或 4195A）。如果可用，波特分析仪将信号注入控制回路，然后测量该环路中不同点的信号，用于建立两个信号之间的增益和相移。之后信号在一定频率范围内扫描，增益和相位响应绘制在对数刻度上。模拟这个分析特别有价值，因为实验室可能无法进行分析。

有人可能会说，稳态分析对于开关模式功率转换是矛盾的。更好的描述是均衡分析。当转换器处于平衡状态时，每个开关周期看起来都像其他周期一样切换周期（类似于我们人类健康类比中患者的呼吸频率）。周期不相同可能表明转换器可能正在振荡。稳态操作实际上可以在以下过程中观察到通过放大进行负载阶跃测试，以更仔细地检查负载阶跃之间的波形。使用单独的稳态分析实际上只是一种方便。

干扰控制回路并观察其恢复的另一种方法是通过线路瞬变。输入电压快速在两个值之间步进，同时观察输出电压。某些应用程序（例如音频）特别对线路瞬态性能敏感。但是，在大多数情况下，此测试不如负载步骤重要。

启动专门检查首次施加输入电压（或使能引脚置位）时会发生什么。因为它达到调节值时，输出电压应以相对较慢的方式平稳上升，很少或无过冲。通常，在电源转换器首次打开之前，控制系统运行状况应通过模拟负载阶跃、交流回路进行验证，然后在前往实验室之前启动。

效率分析确定转换器功率损耗，从而估算组件温升（就像测量病人的体温一样）。高损耗意味着低效率和产生过多损耗的设计热。如果转换器振荡，则元件应力和功率损耗较高，而效率较低。

在上述任何测试能够提供有用的方向之前，转换器必须稳定且不振荡。这就是为什么直接确定控制系统稳定性和响应能力的测试（负载阶跃和交流回路分析）是最重要的。

SIMPLIS 和 SPICE 有何不同？

现在让我们仔细看看 SIMPLIS 和 SPICE 引擎。SIMPLIS（分段线性系统模拟）出现在 1980 年代，最初是为开关模式电源转换器的快速建模而创建的。SIMPLIS Technologies现在开发并拥有该发动机。如今，SIMPLIS 已成为用于电源转换电路仿真以及新 IC 定义分析的流行引擎。SPICE（以集成电路为重点的仿真程序）于1970年代在加州大学伯克利分校开发。它是一个通用的开源模拟电子电路仿真引擎。许多人认为SPICE电路仿真是在晶体管级验证电路操作的行业标准方法。

将 SIMPLIS 与 SPICE 引擎进行比较的最佳方法是查看每个引擎如何处理最关键的引擎 “生命体征”功率转换测试。SIMPLIS 和 SPICE 之间实际上有两个真正的区别。第一 SIMPLIS 生成负载步长分析的速度比 SPICE 快得多：您可以获得 10 倍到 50 倍的准确结果更快。

图1.阶跃负载瞬态响应（左）和交流分析波特图（右）都显示出非常好的一致性 MAX17244同步降压转换器的仿真结果与实测结果之间实验室数据以黑色显示（五外、增益）和绿色（当前步长、相位），而模拟数据以红色和橙色显示。

其次，与使用SPICE相比，使用SIMPLIS进行交流环路分析所需的工作量要少一个数量级。跟 SPICE，交流回路分析需要大量的额外时间和精力。另一方面，辛普利斯，专门设计用于将交流环路分析作为快速时域仿真的副产品。

为了渲染波特图，SPICE需要很多特别的关注。事实上，有些用户只是跳过了基于SPICE的AC。环路分析，而是尝试仅从负载阶跃瞬态响应推断出控制环路鲁棒性。然而这有点像跳过患者的血压测量，而是依靠患者的脉搏。

有多种方法可以执行基于SPICE的交流回路分析。您可以运行几种不同的 SPICE 瞬态时域仿真，每个仿真都有独特的正弦扰动源。然后，您可以快速执行每个结果的傅里叶变换（FFT）算法，并将所有结果后处理成波特图。然而，这是一个漫长的过程，可能需要数小时，具体取决于绘制的数据点的数量。

在SPICE中执行交流环路分析的另一种方法是创建一个“平均”或“小信号”模型，而无需切换，在 SPICE 中的运行速度比切换的 SPICE 模型快。这种功率转换小信号建模这个问题在几十年前就被认识到了。加州理工学院和弗吉尼亚理工大学的研究人员已经彻底分析了此事，成功地使小信号模型变得实用。即便如此，两种不同的SPICE模型仍然需要相关。

最后，一些工程师选择创建第二个计算引擎以避免SPICE/波特图问题。这方法涉及使用代码或Excel来解决波特图问题，而无需使用SPICE。然而，它是一个耗时且昂贵的方法。幸运的是，对于电源设计人员来说，现在有一些更好的解决方案。

是什么让 SIMPLIS 成为更好的选择？

许多工程师继续使用SPICE来仿真电源电路，尽管该引擎最初并不是为此目的而开发的，尽管它对开关模式IC有缺点。由于 SIMPLIS 通过一系列直线段对设备进行建模，而不是像 SPICE 那样求解非线性方程，因此 SIMPLIS 的执行速度比 SPICE 快 10 到 50 倍具有相同精度水平的 SPICE。因此，SIMPLIS 可以将完整电路表征为线性电路拓扑的循环序列。由于SPICE以很小的增量解析所有电压和电流，因此非常准确的细节，它也非常缓慢。SPICE还要求使用平均模型和切换模型进行仿真，而SIMPLIS仅使用一个模型。