SaberRD的稳态分析验证概述

SaberRD—Stability Analysis

仿真可以大大减少通过测量进行稳态分析的工作量，但由于大多数电路模拟器缺乏在实际电路上进行交流分析的能力，实验室方法仍然流行。

SaberRD中的稳定性分析，对于了解系统在不同运行条件下的响应是非常重要的。与实验室测量相比，模拟能够更早地进行稳定性分析(减少时间和成本，仿真方法的灵活性)。一个系统可以是非线性的也可以是线性的，根据系统类型的不同，有周期交流分析、交流分析和零极分析等是在SaberRD中可以使用波德图（Bode plot）和极点-零图（Pole-Zero plot）验证系统的稳定性。

01

SMPS设计

频率分析

• 所面临的挑战
  • 交流分析产生的频率响应电路线性化在一个偏置点。对于像滤波器和放大器这样的线性电路非常适用。
  • 但是现在的设计包含了开关和数字设备，它们不是在一个偏置点上操作的，AC分析结果不是很有帮助。
• 解决方案
• 平均模型 → 交流分析
• 周期交流分析（Periodic AC Analysis）

(线性)交流分析

• 频率响应是通过在单个偏置点附近线性化电路来确定的
• 该系统在频域进行解析求解
• 快速执行
• 同时计算所有信号
• 缺点：仅限于线性和平均模型设计
• 仿真分析
  • 开关电源具有周期性的工作点，但无偏置点。
  • 由于系统方程在工作点附近的线性化，交流分析不能计算切换系统的频率响应。

平均模型

• 非常有价值的长时域模拟，不关注小时间常数和高频影响(如电源管理分析)
• 使用时间连续方程
• 没有开关和数字电路
• 重要的建模工作

• 仿真分析：应用平均建模技术对时间连续方程转换模型进行描述

周期性交流分析（PAC分析）

• 通过对电路在小幅度正弦扰动下的时域仿真，得到了电路的频率响应
• 利用时域结果的傅里叶积分提取感兴趣信号的振幅和相位
• 也适用于非线性周期设计
• 不需要平均模型
• 缺点：限制选择的输出信号
• 仿真分析
  • 保持原来的开关模式设计
  • 选择小幅度扰动信号ac_mag(线性分析理论)
  • 运行周期性交流分析；利用时域结果，通过傅里叶分析计算频率响应

02

PAC仿真分析

PAC分析

PAC分析内部算法

• 时域分析达到稳态
• 在稳态下注入扰动干扰
• 傅里叶计算
• 生成直方图
• 得到计算的波德图

PAC分析仿真设置

设置界面

• 输入源：选择用于交流扰动的通用源
• 输出信号：选择感兴趣的输出信号
• 开始频率：指定分析的开始频率
• 结束频率：指定分析的结束频率

• 输入源：PAC源连接在注入扰动的节点上
• 输出信号：需要频率响应的信号
• 开始和结束：频率需要响应的频率
• 点数：分析中使用的频率点的数目
• 延迟：直到系统达到稳态的时间或将-trip赋值为0

多频扰动：

• 仅从一次瞬态分析得到的频率响应，它叠加了所有扰动频率应用
• 适用至开关频率(奈奎斯特频率)的一半
• 无差错控制
• 比单频扰动快
• 参数含义：
  • Ramp：多正弦扰动包络线从0上升到其最终值的时间间隔(秒)
  • Settle：在多正弦斜坡结束和傅里叶分析开始之间的时间推移(秒)。这种时间的流逝允许在注入扰动后达到稳态。
  • Acquire：执行FFT的周期1/fbegin的整数。大于默认值可用于过滤噪声

• Baseline：指定是否在没有多音扰动的情况下执行额外的瞬态分析
• Frequency-based：应用于单个正弦扰动作为频率的函数(例如，-freqscale freq1 scale1 freq2 scale2…)
• 噪声滤波器尺寸：用于减少波德图抖动的窗口平均滤波器的阶数。平均窗口的宽度是过滤器值的两倍
• Crest：对多正弦谐波分量的相位进行实数随机化，以减小波峰因子对大信号稳态的影响

单频扰动

• 从许多瞬态分析得到的频率响应
• 工作频率高于奈奎斯特频率(开关频率的一半和倍数除外)
• 误差控制
• 并行化可以提高性能多核网格/云计算
• 高效使用运行时附加组件产品
• 错误：傅立叶级数系数的收敛精度(减小-pac误差提高精度)
• 最低周期：每个频率点运行的最小周期数
• 最大时间间隔：傅立叶级数系数收敛的最大时间间隔
• 优化频率源幅值：为最佳信噪比而优化的频率

注意事项：

• 周期交流分析依赖于瞬态分析；建议“周期交流分析”中的TR设置与“瞬态分析”中的相同
• 周期性AC分析只能识别通用源
• 只支持一个交流电源．
• 频率增量限制为日志步长
• 过滤减少了博德图上的点的数量
• 扰动只应在设计处于稳态时启动
• 扰动的振幅是一种权衡，大到足以高于模拟噪声下限，小到足以避免扰动稳态操作(饱和效应)

03

PAC实现稳态分析

SPMS设计

稳定性分析开关模式电源设计一个闭环电源的工作流程设计：

• 1.在闭环路径中增加扰动源
• 2.运行定期AC分析
• 3.计算总体开环传递函数
• 4.应用稳定性测量

稳定性测量准则

• 增益交叉频率：
  • 频率在增益=0dB时下降
  • 应该小于开关频率的一半
• 相位差
• 相位差在增益=0dB和-180°之间
• 最好在45°-60°之间

DC-DC升压逆变器实例

设计设置

• 3型补偿器用于电压控制
• 多正弦扰动源连接在节点vout和vfb之间
• 摄动幅度:1mv
• 整体开环传递函数：
  TF=Vout/Vfb

仿真设置

• 扰动来源:输入源:v.v_pac
• 感兴趣的信号输出信号:vout和vfb
• 启动频率:100hz
• 结束频率:99.9 kHz (100 kHz)
• 指定频率范围：100点
• 稳态时间延迟:40毫秒
• 校准的瞬态分析设置：时间步长:1n；截断误差:0.0005

仿真结果

应用稳定性分析

• 增益交叉频率：5233.3（小于开关电源频率的一半）
• 相位差：51.259°（不超过180°）

04

总结

Saber稳态分析的优势

• Saber提供PAC分析：一个强大的解决方案，以测试开关电源设计的系统稳定性
• 减少实验室的构建和测试
• 尽早发现问题灵活性，更容易假设降低成本缩短设计周期，减少平均建模工作量
• 降低成本
• 加快完成时间
• 提高品质