开关电源一般使用什么模拟软件?
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有许多常见的模拟软件,但对于开关电源,由于对参数的要求较高,简单的模拟模型往往没有得到正确的结果,甚至模拟结果也远非现实。那么,什么样的模拟软件会更有能力呢?
欢迎来谈谈你使用的模拟软件和你的观点。
以下是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
更容易上手,推荐设备级仿真LTspice,很容易使用,但是PSpice的资源最多,Saber建模能力最强,推荐电路级Matlab/Simulink,与控制相关的工具很多,学习资源也很多。要想模拟好,关键是要深刻理解电路原理。
有可能使用电力电子的仿真软件PSpice,Saber,LTspice,PSIM,Matlab/Simulink,Ansys,Simetrix/Simplis等等。要了解这些模拟软件,首先要了解要解决的问题:
1. 数值法、分析法和模拟法
为了解决阶跃激励RC以充放电电路为例。首先,根据基尔霍夫电压电流定律和电阻电容的电压电流约束列出方程,然后解决微分方程。解决微分方程可以直接用手计算,也可以用计算机解方程获得具体的数值解(数值方法)。在确定的激励下,通过计算机解决方案获得关心问题的数值解,以曲线或文本的形式呈现的方法称为模拟。
2. 电场、磁场、电路、磁路
本质上,我们遇到的电磁问题是电磁场分布的问题。在大多数情况下,电磁场的分布受到介质的限制。对电磁场问题的研究已成为对电路磁路的研究。对电磁场的描述从空间和时间的微分方程简化为时间的微分方程。当电磁场的三维特性不容忽视时,需要研究电磁场的时空分布,即需要解决微分方程(dx,dy,dz与dt),Ansys也就是说,可以解决偏微分方程,即可以模拟场的软件之一,类似于COMSOL,在高频变压器设计中,电磁场的三维空间分布对设备的电磁性能有很大的影响,需要研究电磁场分布,即使用Ansys模拟。同样的道理Ansys也可以模拟热场,研究热设计。三维场解的值方法通常是有限元方法。当电磁场的三维特性可以忽略时,电磁场变成电路磁路,只需要解微方程,即模拟路的软件,Pspice,LTspice,Saber,Matlab等等。我们接触到的大多数电子元件的电磁场都是精心设计的,空间分布非常有规律。从用户的角度来看,该设备可以用微分方程来描述,因此通常使用电路模拟软件进行研究。同样,热场也可以简化为热路,利用热阻热容量的概念来研究温度分布,并使用一些电路模拟软件来模拟温度瞬态。
3. 动态特性模拟、开关纹波模拟、开关损耗传导干扰模拟-从频域区分研究问题
这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。能够模拟相应频域特征的相应最简单开关模型为平均开关模型、具有电阻模拟的理想开关模型(导电等效为毫欧电阻,关闭等效为兆欧电阻)和考虑寄生电容寄生电感的行为级模型。由于平均开关模型不那么直观,使用较少,控制环的模拟大多采用理想的开关模型,相应的模拟时间比平均开关模型长得多。MATLAB/SIMULINK、PSIM只提供理想的开关模型,因此一般模拟控制环路和开关纹波级波形。如果需要高频开关损耗,EMI特性,即射频范围,需要更准确的模型,即考虑寄生电容寄生电感的行为级模型,如PSPICE,LTSPICE,SIMETRIX等Spice类仿真软件和Saber将提供详细的寄生参数模型库,因此可用于设备级模拟。需要强调的是,这并不意味着SIMULINK不能建立更准确的模型,而是SIMULINK没有相关的模型资源,即库,一般不需要SIMULINK模仿设备行为。关注的频率范围决定了建模的精度,模型的精度决定了我们需要的模型,模拟平台的选择决定了模型的支持,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模拟主要在于该软件有两个模拟器,一个用于控制模拟,另一个用于器件模拟(SPICE仿真)。
事实上,大多数仿真软件都有两个仿真器,Simetrix除了支持Spice语言,也支持Verilog语言,Saber除了支持MAST语言,也支持VHDL语言。Simetrix/Simplis它指的是两个软件,但这两个软件集成在一起,一个是Simetrix,另一个Simplis。Simplis与通常的电路仿真软件不同,它是通过分段线性方法对元件进行建模的,因此求解速度也更快,具体可参考帮助文档。
4. 硬件描述语言和模拟器,宏建模
电路需要用计算机能理解的语言来描述,即硬件描述语言,而计算机通过模拟软件(模拟器)来理解相应的硬件描述语言,并解决和输出结果。具体硬件描述语言描述的电路需要相应的模拟器来解决。常见的硬件描述语言包括,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对应的仿真器),VHDL语言(一种标准语言,Saber有仿真器),SIMULINK它有自己的硬件描述语言,可以通过打开模型描述来看到。元件通过数学表达式定义,如MAST、Verilog-HDL、VHDL它们可以直接用数学表达式定义元件,即真正的行为建模。因此,这种模拟软件也更适合多物理领域的建模模拟。只要对象的数学关系清晰,就可以看到Saber有许多散热器库。除数学表达式外,组件常用的数学表达式也可以包装成基本单元,通过组合描述组件。一般基本单元为电容、电阻、电感、受控电压源、电流源等。这种建模方法是宏建模,SPICE这是一种宏建模语言。显然,真正的行为级建模语言也支持宏建模,但宏建模的优点是物理意义明确。PSpice有相应的行为模型库(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. 非线性时变系统和电路模拟分析的类型
Spice类仿真软件,Saber在电路分析中,需要选择分析类型,包括直流分析、瞬态分析和交流小信号分析。这里重点关注直流分析,主要是开关电路是否需要直流分析。开关电路本质上是一个非线性和时间变化系统。所谓时间变化,是指电路结构随时间变化DC分析中没有时间的概念,所以DC分析对开关电路分析毫无意义。
先说这么多,推荐几本书。如果只推荐一本,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]都有相应的中文译本。英语一般可以下来。
[1] Dynamics and Control of Switched Electronic Systems,Chapter 13: An Overview of Simulation Tools
[2] 各种仿真软件的帮助,Saber的帮助“The Designer's Guide to Analog & Mixed-Signal Modeling关于建模的理论很多,值得一读。
[3] Model-Based Engineering for Complex Electronic Systems-Elsevier Science (2011)各种建模理论和建模方法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. 注意里面说的话PSpice原理图输入现在只支持ORCAD另一种历史上支持的输入。
[5] Inside Spice,[2]和[3]中也有模拟的详细原理,但似乎都来自这本书。
[6] Analog Design and Simulation using OrCAD Capture and PSpice-Newnes (2011),也是比较基础的,也很适合初学者。
[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。MATLAB只是作为计算工具,而不是模拟软件。
[8] 开关电源Spice模拟与实用设计_巴索Basso,开关变换器的建模和仿真入门更好。