一文解读PSpice中的收敛性问题及其相关因素

 

耀创科技U-Creative|Cadence Channel Partner在帮助客户解答PSpice软件使用问题超过15年，客户经常会提到仿真收敛性问题，因此，通过发表此文详解PSpice中的收敛性问题及其与之相关因素，希望对各位有所帮助，文章如有未详尽表述清楚的地方，请指正。

在PSpice中进行电路仿真时，常会遇到仿真不收敛的问题（简称收敛性问题）。当电路中包含晶体管等非线性器件，在进行bias point、DC sweep和瞬态分析时，PSpice软件内部使用Newton-Raphson算法进行迭代计算来解一组非线性方程。在个别情况下， PSpice 软件采用上述算法未能得到非线性方程的解，使得仿真不能进行下去，这就是“收敛性问题”。

本文将介绍收敛性问题的原因，并针对性地提供解决方法。

 

首先，电路收敛需要满足以下条件：

1. 非线性方程存在有解：确保电路设计是正确无误的，以保证非线性方程存在有解。

2. 方程必须是“连续的”：确保电路模型在所有分析点上都是连续且可导的。

3. 对方程能进行求导计算：保证所使用的模型是可以进行求导计算的。

4. 迭代采用的初始解与最终解的偏离不应过大：提供一个合理的初始解，避免初始解与最终解相差过大。

如果在PSpice仿真设计过程中遇到收敛性问题，程序会产生一个输出文件，其中包含了错误提示和最后尝试的节点电压信息。查看输出文件可以分析收敛性问题的具体原因，并采取相应的解决措施。

格式如下：

起始提示：ERROR--convergence problem……）

和最后的记录（Last node voltages tried were……）

 

关于“数值范围及精度”

PSpice中还存在数值范围和精度问题：

1. PSpice中电压和电流的数值范围分别为+/-1e10 volts和+/-1e10 amps，

2. PSpice中导数的范围为1e14。

3. PSpice中数值采用双精度，可以达到15位有效数字。

如果数值超出允许范围，将会导致收敛性问题。

例1：当一个1MV的电压源加在一个阻值为1微欧姆的电阻两端时，电流将达到1e12安培，超出了+/- 1e10安培的电流值范围，从而导致电路不收敛的问题。

例2：对于下面模拟情况，电压直接加在二极管两端，没有串联电阻，将导致不收敛的问题。

V1 1, 0 5v

D1 1, 0 DMOD

.MODEL DMOD(IS=1e-16)

关于”导数”

PSpice内部的器件方程包括一些求导式，例如计算小信号电导、跨导及增益。如果器件模型方程和导数出现不连续情况，将导致下述问题：

在不连续点处将不能正常计算出导数值。

第n次迭代中计算的“电导值” 将不能成为下一次迭代的合适“初值”。

此外，对于电路拓扑关系、元器件模型和初始解等方面也需要注意，以保证电路的收敛性。

电路拓扑关系：

1、检查电路连接关系是否正确

2、避免单位差错。例如将1MEGAOHMS 误写为1M

3、电路中存在浮置节点，不能保证足够的直流通路。

4、描述受控源的时要使用现实可能的增益值，模型参数值也应合理。

5、避免使用逻辑元件。如果必须使用逻辑元件，应该给相应的节点设置一个与实际值一致的初值。

设置值不应为0。
 

 

元器件模型：

1、对半导体器件，要保证模型参数值是现实可能的，并确保计算出的电压和电流值在+/- 1e10的范围内。

2、当电源电压接近零时，受控源应该“断开”。

3、对p-n器件，要注意串联电阻设置值不应为0。

 

 初始解：

1、为了保证Newton-Raphson迭代的收敛，初始解与最终解的差距不应过大

2、功率电子电路可以允许电压/电流有较大的容差，如果电流超过几安培，可以将ABSTOL值设置为1u。

3、如果ABSTOL设置值超过1u将导致收敛性问题。除非电路中的电流达到“千安培”。

4、并非任何情况下只要放宽容差均可以保证收敛，例如，将容差选项RELTOL设置值大于1.0仍然会出现收敛性问题。

5、将GMIN值设置为1n和10n之间通常会解决收敛性问题。

 

 

PSpice对电路进行模拟时，最关键的问题是首先要计算直流工作点。PSpice首先按照电源的实际电压值计算工作点，通常均能得到确定解。如果出现不收敛的问题， PSpice随即将电源的电压值几乎降为0 (.001%)使所有非线性元器件均处于截止状态。

以上是关于收敛性问题及其解决方案的介绍。通过了解收敛性问题的原因和相关因素，我们可以更好地应对PSpice中的设计挑战，并成功进行电路仿真分析。

结论

Cadence PSpice是一款功能强大的电路仿真软件，它结合了业界领先的模拟、模数混合信号以及分析工具，为电路仿真提供了一个完整的解决方案。内置各种强大的电路图绘制功能，可用于电子线路、电路和信号与系统等可以实现交流分析、直流工作点分析、直流扫描分析和转移函数分析等多种功能，还可以用于电子线路、电路、信号的仿真分析和电路验证。

简单来说，PSpice的优点就是：易学易用、简单直观，适用于任何的电路设计工程师。

并且PSpice提供了Auto Converge（自动收敛）工具，自动调节仿真参数的值，使得电路的计算可以收敛。