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纯净的硅(中级)

做开关电源,一般用什么仿真软件? [复制链接]

常见的仿真软件很多,但是对于开关电源来说,因为对参数的要求性更高,简单的仿真模型往往得不到正确的结果,甚至仿真结果和实际相去甚远。那么,有什么仿真软件会更能胜任呢?

 

欢迎大家来聊聊你们所用的仿真软件,也来说说你们的观点。

 

下面是我搜到的一份对各种仿真软件的分析,原作者未知:

作者:知乎用户
链接:https://www.zhihu.com/question/263844056/answer/273847914
 

比较容易上手的,器件级的仿真推荐LTspice,非常容易使用,不过PSpice的资源最多,Saber的建模能力最强,电路级的则推荐Matlab/Simulink,与控制方面相关的工具比较多,学习资源也比较多。要想做好仿真,关键还是得对电路原理有深刻的理解。

 

电力电子可能用到的仿真软件有PSpice,Saber,LTspice,PSIM,Matlab/Simulink,Ansys,Simetrix/Simplis等等。要了解这些仿真软件,首先得对所要解决的问题有所了解:

 

1. 数值方法,解析方法与仿真

以求解一个阶跃激励RC充放电电路为例,首先,先根据基尔霍夫电压电流定律以及电阻电容的电压电流约束,列出方程,然后再求解微分方程。求解微分方程,可以直接手算得到一个通解(解析方法),也可以利用计算机解方程得到具体的数值解(数值方法)。在确定激励下,通过计算机求解方程,得到关心问题的数值解,并以曲线或文本的方式呈现出来的方法就叫仿真。

 

2. 电场、磁场与电路、磁路,电磁场仿真与电路仿真

从本质上来说,我们所遇到的电磁学问题都是电磁场分布的问题,大部分情况下,电磁场的分布受介质约束,对电磁场问题的研究变成对电路磁路的研究,对电磁场的描述由关于空间和时间的偏微分方程简化为关于时间的微分方程。当电磁场三维特征不能忽略时,就需要研究电磁场的时空分布,也就是需要求解偏微分方程(dx, dy, dz与dt),Ansys就是能求解偏微分方程,也就是能仿真场的其中一种软件,类似的还有COMSOL,在高频变压器设计,电磁场的三维空间分布对装置电磁性能影响很大,就需要研究电磁场分布,也就是用Ansys仿真。同样道理Ansys也能仿真热场,研究热设计。三维场求解的数值方法通常为有限元方法。当电磁场三维特征可以忽略时,电磁场变成电路磁路,这时只需要求解微分方程,也就是能仿真路的软件,Pspice,LTspice,Saber,Matlab等都属这类。我们所接触的大部分电子元器件,其电磁场都是精心设计过的,空间分布很规律,从使用者的角度,用微分方程就能描述器件,因此一般都是用电路仿真软件研究。同样的道理,热场也能简化为热路,利用热阻热容的概念研究温度分布,能利用一些电路仿真软件仿真温度瞬态。

 

3. 动态特性仿真,开关纹波仿真,开关损耗传导干扰仿真——从频域区分研究问题,从开关模型区分仿真软件

三个问题区分了我们所关心的三个频域,低频,开关频率和射频,对应的能够仿真出相应频域特点的最简开关模型分别为平均开关模型,用电阻模拟的理想开关模型(导通等效为毫欧级电阻,关断等效为兆欧级电阻)以及考虑寄生电容寄生电感的行为级模型。平均开关模型由于不那么直观,用的比较少,控制环路的仿真大部分还是用理想开关模型,相应的仿真时间比平均开关模型长的多。像MATLAB/SIMULINK、PSIM里只提供理想开关模型,所以一般仿真控制环路和开关纹波级别波形。而如果需要关心高频开关损耗,EMI特性,也就是射频范围,就需要更精确的模型,也就是考虑寄生电容寄生电感的行为级模型,像PSPICE,LTSPICE,SIMETRIX等Spice类仿真软件和Saber都会提供详细寄生参数模型的库,因此可以用来器件级仿真。需要强调的是,并不是说SIMULINK不能建立更精确的模型,而是SIMULINK没有相关的模型资源,也就是库,所以一般不用SIMULINK仿器件行为。关心的频率范围决定建模的精度,需要模型的精度决定了我们需要的模型,对需要模型的支持决定了仿真平台的选用,即平台的资源决定了平台的可用性[1]。

 

补充说明:

Psim:Psim也支持Spice仿真,主要在于这个软件有两个仿真器,一个用于控制仿真,一个用于器件仿真(SPICE仿真)。

事实上大部分仿真软件都有两个仿真器,Simetrix除了支持Spice语言,还支持Verilog语言,Saber除了支持MAST语言,还支持VHDL语言。另外,Simetrix/Simplis指的是两个软件,只不过这两个软件集成在一起,一个是Simetrix,另一个Simplis。Simplis与通常电路仿真软件不同,它是通过分段线性的方法对元件建模的,因此求解速度也更快,具体可参考帮助文档。

 

4. 硬件描述语言与仿真器,宏建模

电路需要用计算机所能理解的语言,也就是硬件描述语言来描述,计算机则通过仿真软件(仿真器)来理解相应硬件描述语言,并求解,输出结果。特定硬件描述语言描述的电路需要对应的仿真器求解。常见的硬件描述语言有,Spice语言(PSpice、LTspice、Simetrix等SPICE类仿真软件可求解)、MAST语言(Saber仿真软件可求解)、Verilog-HDL语言(一种标准语言,Simetrix有对应仿真器)、VHDL语言(一种标准语言,Saber有仿真器),SIMULINK则有自己的硬件描述语言,打开模型描述就能看到。元件通过数学表达式来定义,像MAST、Verilog-HDL、VHDL都是能够直接用数学表达式定义一个元件的,也就是真正的行为级建模,因此,这类仿真软件也比较适合多物理领域的建模仿真,只要对象的数学关系清楚就行,可以看到Saber里面有许多散热器的库。除了通过数学表达式来定义外,也可以将元件常用的数学表达式封装起来,变成一个个基本单元,通过基本单元的组合来描述元件,一般基本单元是电容、电阻、电感、受控电压源、电流源等,这种建模方法就是宏建模,而SPICE就是一种宏建模的语言。很显然,真正行为级建模语言也支持宏建模,不过宏建模的优点是物理意义清楚。PSpice有对应的行为模型库(ABM库)来增强对元件的描述能力,并不比真正的行为级建模语言差多少。

 

5. 非线性时变系统与电路仿真分析的类型

Spice类仿真软件、Saber对电路分析时,需要选择分析类型,常见的有直流分析、瞬态分析、交流小信号分析。这里着重说一下直流分析,主要是开关电路是否需要直流分析的问题。开关电路本质上是一个非线性、时变系统,所谓时变就是电路结构随时间在变化的,而DC分析里是没有时间的概念的,所以DC分析对开关电路分析没有意义。

先说这么多,推荐几本书。如果只推荐一本的话,推荐[4],非常适合初学者,[6]、[7]也非常适合初学者。[3][4][6][7][8]都有对应的中译本。英文的一般能下到。

 

[1] Dynamics and Control of Switched Electronic Systems,Chapter 13: An Overview of Simulation Tools

[2] 各类仿真软件的帮助,Saber的帮助“The Designer's Guide to Analog & Mixed-Signal Modeling”有大量关于建模的理论,值得一读。

[3] Model-Based Engineering for Complex Electronic Systems-Elsevier Science (2011),各种建模理论与建模方法,与Saber帮助The Designer's Guide to Analog & Mixed-Signal Modeling相互补充。

[4] SPICE for Power Electronics and Electric Power, third edition. 需要注意里面说的PSpice原理图输入,现在只支持ORCAD输入,另一种历史上支持过。

[5] Inside Spice,关于仿真的详细原理,在[2]和[3]中也有,不过似乎都是来源于这本书。

[6] Analog Design and Simulation using OrCAD Capture and PSpice-Newnes (2011),也是比较基础的,也非常适合初学者。

[7] PSPICE and MATLAB for electronics _ an integrated approach-CRC Press (2010),看的不多,也比较初级,适合入门,这里MATLAB只是作为一种计算工具,并不是仿真软件。

[8] 开关电源Spice仿真与实用设计_巴索Basso,开关变换器建模与仿真入门都比较好。

 

 

此帖出自电源技术论坛

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谢谢分享~~下载中心也有相关的整理,有需要的网友可以去下载

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