为什么SIMPLIS在电源电路方面比SPICE更好

描述

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。

电源

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。

电源

图2.MAX17244 SIMPLIS 同步降压转换器原理图

因此,结论很简单:SIMPLIS 在更快的时间范围内提供了 SPICE 级的准确性。您可以 然后将更多资源投入到设计工作中,而不是陷入仿真任务的泥潭。

审核编辑:郭婷

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