為什么SIMPLIS在電源電路方面比SPICE更好

電源電路難以仿真;但是，仿真是幫助確保設(shè)計在生產(chǎn)中工作的重要方法。最后，仿真還可以節(jié)省時間和金錢。本應(yīng)用筆記比較了兩種功率仿真引擎SIMPLIS和SPICE，并說明了為什么SIMPLIS最終成為電源電路的更有效選擇。

介紹

為了提高設(shè)計在生產(chǎn)中正常工作的機會，大多數(shù)工程師都轉(zhuǎn)向仿真。 它提供了對設(shè)計如何運作的評估，這可以節(jié)省設(shè)計過程中的時間，并最終節(jié)省成本。畢竟，重新設(shè)計和重新旋轉(zhuǎn)PCB是一項昂貴的工作。還記得設(shè)計電路板、在實驗室中測試、調(diào)試、重新設(shè)計并一次又一次地重復(fù)直到設(shè)計正確的日子嗎？這種方法通常會延遲產(chǎn)品推出。更糟糕的是，有時在產(chǎn)品交付給客戶之前，并非所有問題都被發(fā)現(xiàn)。

然而，電源管理工程師遲遲沒有將仿真集成到他們的流程中。相比之下， 半導(dǎo)體行業(yè)幾十年前就認(rèn)識到，只有完全模擬IC，才能取得成功。 在制造第一批晶圓之前進(jìn)行設(shè)計。例如，Maxim通過其數(shù)量來衡量仿真成功 使用“第一塊硅”投入生產(chǎn)的 IC。眾所周知，電源和轉(zhuǎn)換器很難仿真。 此外，針對IC優(yōu)化的仿真解決方案不一定是電源轉(zhuǎn)換的最佳工具 模擬。

也就是說，電源電路出現(xiàn)了兩個仿真引擎：SIMPLIS 和 SPICE。在此 應(yīng)用說明，我們將比較兩者，并研究為什么 SIMPLIS 引擎對電源設(shè)計更有效。

您的電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計有多健康？

有一組“生命體征”測試來確定電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計的健康和魯棒性，這些測試是 類似于醫(yī)學(xué)生命體征，提供人類整體健康狀況的概述?；谛袠I(yè)慣例， Maxim的EE-Sim設(shè)計生成和仿真環(huán)境將這些測試定義為：

加載步驟

交流回路

穩(wěn)態(tài)

線路瞬態(tài)

啟動

效率

就像我們?nèi)祟惤】殿惐戎袦y量患者的脈搏一樣，負(fù)荷步驟可以說是最重要的生命體征 在電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計中進(jìn)行評估。就像一個人的脈搏隨著運動而變化一樣，功率的輸出電壓也會發(fā)生變化。 當(dāng)通過負(fù)載電流的變化來執(zhí)行時，轉(zhuǎn)換器會發(fā)生變化。負(fù)載階躍仿真測量多少 輸出電壓變化及其恢復(fù)速度。如果反饋電路設(shè)計不當(dāng)，各種 事情可能會發(fā)生。轉(zhuǎn)換器可能會過沖或下沖太遠(yuǎn)、振鈴過度、恢復(fù)太慢或中斷 例如，進(jìn)入振蕩。具有訓(xùn)練有素的眼睛的工程師可以定性地判斷 通過檢查負(fù)載階躍瞬態(tài)響應(yīng)圖來控制環(huán)路。為了更全面地了解“健康” 控制回路，使用交流回路分析。

查看頻域中的控制環(huán)路，交流環(huán)路分析可以直接測量控制環(huán)路 帶寬和相位裕量（回到我們的人類健康示例，這一步就像抽取患者的血液 壓力）。交流分析，也稱為小信號、波特或頻率響應(yīng)分析，需要專門的 實驗室中不常見的設(shè)備（示例包括 AP 儀器 AP300、奧密克戎 Bode 100 或 安捷倫 4194A 或 4195A）。如果可用，波特分析儀將信號注入控制回路，然后測量 該環(huán)路中不同點的信號，用于建立兩個信號之間的增益和相移。之后 信號在一定頻率范圍內(nèi)掃描，增益和相位響應(yīng)繪制在對數(shù)刻度上。模擬這個 分析特別有價值，因為實驗室可能無法進(jìn)行分析。

有人可能會說，穩(wěn)態(tài)分析對于開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換是矛盾的。更好的描述 是均衡分析。當(dāng)轉(zhuǎn)換器處于平衡狀態(tài)時，每個開關(guān)周期看起來都像其他周期一樣 切換周期（類似于我們?nèi)祟惤】殿惐戎谢颊叩暮粑l率）。周期不相同 可能表明轉(zhuǎn)換器可能正在振蕩。穩(wěn)態(tài)操作實際上可以在以下過程中觀察到 通過放大進(jìn)行負(fù)載階躍測試，以更仔細(xì)地檢查負(fù)載階躍之間的波形。使用單獨的 穩(wěn)態(tài)分析實際上只是一種方便。

干擾控制回路并觀察其恢復(fù)的另一種方法是通過線路瞬變。輸入電壓快速 在兩個值之間步進(jìn)，同時觀察輸出電壓。某些應(yīng)用程序（例如音頻）特別 對線路瞬態(tài)性能敏感。但是，在大多數(shù)情況下，此測試不如負(fù)載步驟重要。

啟動專門檢查首次施加輸入電壓（或使能引腳置位）時會發(fā)生什么。因為它 達(dá)到調(diào)節(jié)值時，輸出電壓應(yīng)以相對較慢的方式平穩(wěn)上升，很少或 無過沖。通常，在電源轉(zhuǎn)換器首次打開之前，控制系統(tǒng)運行狀況應(yīng) 通過模擬負(fù)載階躍、交流回路進(jìn)行驗證，然后在前往實驗室之前啟動。

效率分析確定轉(zhuǎn)換器功率損耗，從而估算組件溫升 （就像測量病人的體溫一樣）。高損耗意味著低效率和產(chǎn)生過多損耗的設(shè)計 熱。如果轉(zhuǎn)換器振蕩，則元件應(yīng)力和功率損耗較高，而效率較低。

在上述任何測試能夠提供有用的方向之前，轉(zhuǎn)換器必須穩(wěn)定且不振蕩。這就是為什么 直接確定控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應(yīng)能力的測試（負(fù)載階躍和交流回路分析）是 最重要的。

SIMPLIS 和 SPICE 有何不同？

現(xiàn)在讓我們仔細(xì)看看 SIMPLIS 和 SPICE 引擎。SIMPLIS（分段線性系統(tǒng)模擬）出現(xiàn)在 1980 年代，最初是為開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器的快速建模而創(chuàng)建的。SIMPLIS Technologies現(xiàn)在開發(fā)并擁有該發(fā)動機。如今，SIMPLIS 已成為用于電源轉(zhuǎn)換電路仿真以及新 IC 定義分析的流行引擎。SPICE（以集成電路為重點的仿真程序）于1970年代在加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)。它是一個通用的開源模擬電子電路仿真引擎。許多人認(rèn)為SPICE電路仿真是在晶體管級驗證電路操作的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法。

將 SIMPLIS 與 SPICE 引擎進(jìn)行比較的最佳方法是查看每個引擎如何處理最關(guān)鍵的引擎 “生命體征”功率轉(zhuǎn)換測試。SIMPLIS 和 SPICE 之間實際上有兩個真正的區(qū)別。第一 SIMPLIS 生成負(fù)載步長分析的速度比 SPICE 快得多：您可以獲得 10 倍到 50 倍的準(zhǔn)確結(jié)果 更快。

圖1.階躍負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)（左）和交流分析波特圖（右）都顯示出非常好的一致性 MAX17244同步降壓轉(zhuǎn)換器的仿真結(jié)果與實測結(jié)果之間實驗室數(shù)據(jù)以黑色顯示 （五外、增益）和綠色（當(dāng)前步長、相位），而模擬數(shù)據(jù)以紅色和橙色顯示。

其次，與使用SPICE相比，使用SIMPLIS進(jìn)行交流環(huán)路分析所需的工作量要少一個數(shù)量級。跟 SPICE，交流回路分析需要大量的額外時間和精力。另一方面，辛普利斯， 專門設(shè)計用于將交流環(huán)路分析作為快速時域仿真的副產(chǎn)品。

為了渲染波特圖，SPICE需要很多特別的關(guān)注。事實上，有些用戶只是跳過了基于SPICE的AC。 環(huán)路分析，而是嘗試僅從負(fù)載階躍瞬態(tài)響應(yīng)推斷出控制環(huán)路魯棒性。然而 這有點像跳過患者的血壓測量，而是依靠患者的脈搏。

有多種方法可以執(zhí)行基于SPICE的交流回路分析。您可以運行幾種不同的 SPICE 瞬態(tài)時域仿真，每個仿真都有獨特的正弦擾動源。然后，您可以快速執(zhí)行 每個結(jié)果的傅里葉變換 （FFT） 算法，并將所有結(jié)果后處理成波特圖。然而，這是一個漫長的過程，可能需要數(shù)小時，具體取決于繪制的數(shù)據(jù)點的數(shù)量。

在SPICE中執(zhí)行交流環(huán)路分析的另一種方法是創(chuàng)建一個“平均”或“小信號”模型，而無需 切換，在 SPICE 中的運行速度比切換的 SPICE 模型快。這種功率轉(zhuǎn)換小信號建模 這個問題在幾十年前就被認(rèn)識到了。加州理工學(xué)院和弗吉尼亞理工大學(xué)的研究人員已經(jīng)徹底分析了此事， 成功地使小信號模型變得實用。即便如此，兩種不同的SPICE模型仍然需要 相關(guān)。

最后，一些工程師選擇創(chuàng)建第二個計算引擎以避免SPICE/波特圖問題。這 方法涉及使用代碼或Excel來解決波特圖問題，而無需使用SPICE。然而，它是一個 耗時且昂貴的方法。幸運的是，對于電源設(shè)計人員來說，現(xiàn)在有一些更好的解決方案。

是什么讓 SIMPLIS 成為更好的選擇？

許多工程師繼續(xù)使用SPICE來仿真電源電路，盡管該引擎最初并不是為此目的而開發(fā)的，盡管它對開關(guān)模式IC有缺點。由于 SIMPLIS 通過一系列直線段對設(shè)備進(jìn)行建模，而不是像 SPICE 那樣求解非線性方程，因此 SIMPLIS 的執(zhí)行速度比 SPICE 快 10 到 50 倍 具有相同精度水平的 SPICE。因此，SIMPLIS 可以將完整電路表征為線性電路拓?fù)涞难h(huán)序列。由于SPICE以很小的增量解析所有電壓和電流，因此非常 準(zhǔn)確的細(xì)節(jié)，它也非常緩慢。SPICE還要求使用平均模型和切換模型進(jìn)行仿真，而SIMPLIS僅使用一個模型。

圖2.MAX17244 SIMPLIS 同步降壓轉(zhuǎn)換器原理圖

因此，結(jié)論很簡單：SIMPLIS 在更快的時間范圍內(nèi)提供了 SPICE 級的準(zhǔn)確性。您可以 然后將更多資源投入到設(shè)計工作中，而不是陷入仿真任務(wù)的泥潭。

審核編輯：郭婷