開關(guān)電源的仿真軟件用哪個(gè)？

概覽

網(wǎng)上介紹電力電子仿真軟件的文章錯(cuò)誤和過時(shí)信息較多，本文針對(duì)非電網(wǎng)/電力系統(tǒng)互聯(lián)類的獨(dú)立電力電子開關(guān)變換系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱為電源）的仿真，嘗試性地歸納介紹。為了能給剛?cè)腴T的讀者一個(gè)基礎(chǔ)概念，特此指出，如下用詞均描述同一被仿真客體，該客體利用電力電子技術(shù)進(jìn)行如下四種功率（電壓/電流）變換：

• 電力電子變換器 power electronics converter

• 功率變換器 power converter

• 開關(guān)變換器 switching converter

• 開關(guān)調(diào)節(jié)器/穩(wěn)壓器 switching regulator

• 開關(guān)電源 switching mode power supply(SMPS)

針對(duì)電源應(yīng)用，本文介紹的常見、主流仿真軟件如下：

歸納特點(diǎn)如下：

限于篇幅，本文只講每款軟件的關(guān)鍵特色。更詳細(xì)的信息，請(qǐng)參考官網(wǎng)相關(guān)資料。

SABER

SABER本身十分高大上，電源的仿真是Saber一個(gè)分支的應(yīng)用領(lǐng)域。

Saber可支持仿真結(jié)果，和預(yù)先設(shè)置的design specifations（輸入輸出的電壓/電流/紋波/效率等）設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。

不同于大家可能過去見得多的老版本，現(xiàn)版的SABER包含兩個(gè)模塊：SaberEXP和SaberRD。

SaberEXP專門針對(duì)開關(guān)變換器的仿真速度進(jìn)行優(yōu)化，在損失最少近似度的情況下做了線性處理（有的也稱PWL模型），魯棒性強(qiáng)，便于收斂，仿真速度快。

SaberRD的功能更加強(qiáng)大且專業(yè)，可以在多個(gè)域進(jìn)行設(shè)計(jì)（包含熱 磁 機(jī)械 物理等）。對(duì)每個(gè)器件進(jìn)一步自定義的特征化，包括導(dǎo)入SPICE模型。更高級(jí)的，它支持參數(shù)掃描，最惡劣工況分析，可靠性分析（應(yīng)力和功能安全），并支持并行仿真提高運(yùn)行速度。如下是上述buck電路輸出電壓worst-case分析的例子。

利用供應(yīng)商datasheet提供的數(shù)據(jù)，我們可以在Saber中完成對(duì)每一個(gè)組件的詳細(xì)建模（查表，曲線，公式）和參數(shù)自定義。Saber支持對(duì)供應(yīng)商datasheet曲線的自動(dòng)測(cè)繪。

利用SaberEXP和SbaerRD可以完成從理想模型的搭建，到實(shí)際工程樣機(jī)的驗(yàn)證，形成由簡(jiǎn)入繁的設(shè)計(jì)閉環(huán)。

PSIM

PSIM是專門針對(duì)電力電子與電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用開發(fā)的。

在早期，PSIM是以理想元器件，超快的仿真速度和很強(qiáng)的收斂性著稱。

但從PSIM 11開始，在快速仿真的基礎(chǔ)上，為了提高仿真的真實(shí)度并兼容SPICE仿真體系，每一個(gè)器件PSIM都同時(shí)支持定義為PSIM模型（ideal或帶各種參數(shù)的level 2非線性模型）或SPICE模型（稱為PSIM-SPICE pro）。

并且，PSIM開始支持直接在內(nèi)部嵌入LTspice進(jìn)行仿真。

PSIM對(duì)于多種代碼模塊的支持，能用于驗(yàn)證各類數(shù)字控制程序。

除此之外，最特色的尚屬PSIM的SimCoder模塊，擁有實(shí)時(shí)數(shù)字控制的巨大仿真優(yōu)勢(shì)。

其內(nèi)置如TI C2000 MCU的眾多子模塊，可以直接引入C2000的ePWM/CAN/SPI/SCI/ADC等模塊，配合代碼，連入電路中進(jìn)行仿真（Processor in loop）。

同時(shí)，PSIM支持利用模塊，直接配置C2000控制代碼的導(dǎo)出。利用Code Generation模塊，我們可以通過配置PSIM C2000模塊中的參數(shù)，鏈接CCS軟件，生成實(shí)際的C2000代碼來實(shí)現(xiàn)實(shí)際的控制。

PLECS

PLECS最早是內(nèi)嵌在MATLAB-SIMULINK里面的一個(gè)組件，為了彌補(bǔ)Simulink對(duì)電力電子系統(tǒng)元器件支持的不足，以及對(duì)開關(guān)變換器仿真算法的不適配導(dǎo)致的低仿真速度而存在的。后來因?yàn)槠洳捎萌硐朐骷Ｐ?，?jiǎn)潔高效，速度極快，非常適合驗(yàn)證系統(tǒng)的拓?fù)湓砗涂刂扑惴?，便?dú)立出來有了standalone的版本。

值得一提的是PLECS雖然是純理想元器件的仿真工具，但它同樣支持損耗和熱的仿真。不同于PSIM引入SPICE和開關(guān)高階模型，PLECS為了極致的運(yùn)行速度，它通過已知（或已被廠家建模）的Eon/Eoff和熱參數(shù)數(shù)據(jù)，以look up table的方式建立模型。雖然其效果取決于參數(shù)來源的精確度，但不失為一種快速評(píng)估系統(tǒng)性能的仿真方式。

另外，類似PSIM，PLECS也有支持TI C2000 MCU的模塊（TI C2000 Code Genration），此處不再贅述。

PLECS可以和自家的RT  BOX輕易配合，實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)的電力電子半實(shí)物仿真，非常有利于項(xiàng)目的快速驗(yàn)證。

SIMULINK

內(nèi)嵌在MATLAB中，因此對(duì)數(shù)?；旌想娐返膹?fù)雜模型，復(fù)雜處理邏輯，和高級(jí)控制算法的建模/驗(yàn)證能力得益于MATLAB。MATLAB針對(duì)控制系統(tǒng)，也擁有眾多支持自動(dòng)化分析，自動(dòng)化優(yōu)化校正的工具包。

但SIMULINK曾經(jīng)對(duì)Power元器件庫的支持是孱弱的，僅限于純理想器件，由于仿真算法沒有對(duì)開關(guān)電路進(jìn)行特殊的優(yōu)化，總體的仿真速度較慢。

近幾年來，SIMULINK對(duì)電力電子變換電路的支持進(jìn)行了諸多優(yōu)化。針對(duì)開關(guān)元器件，支持自定義其特性曲線從而逼近真實(shí)的非線性行為模型，從而可以獲得損耗/效率/熱學(xué)仿真等仿真能力。從這點(diǎn)上說，相當(dāng)于吸收了PSIM和PLECS的部分優(yōu)勢(shì)。

值得一提的是，新版SIMULINK還支持基于SPICE的網(wǎng)表轉(zhuǎn)換功能，在某種程度上支持基于SPICE模型的仿真。

另外，鑒于MATLAB的強(qiáng)大，適合復(fù)雜數(shù)字控制，復(fù)雜邏輯功能，和高端算法的實(shí)現(xiàn)，SIMULINK可以配合MATLAB的其他工具進(jìn)行復(fù)雜的建模和數(shù)理分析，甚至搭建更復(fù)雜的電氣、電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行模型驗(yàn)證。

同樣地，其對(duì)眾多真實(shí)微處理器的聯(lián)動(dòng)（包括TI C2000），和外界真實(shí)系統(tǒng)/其他軟件的數(shù)據(jù)交互接口，硬件在環(huán)，代碼生成/驗(yàn)證/基于模型的設(shè)計(jì)等，自然是不在話下。此處不進(jìn)行過多展開。

SIMPLIS

SIMPLIS可以說是專門針對(duì)電源仿真的，包括板級(jí)和IC行為級(jí)電路仿真。

它的出現(xiàn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)SPICE類仿真在面對(duì)開關(guān)變換器時(shí)，出現(xiàn)的種種不足：如仿真速度太慢，收斂性很差，頻域環(huán)路分析支持性弱（沒有專門工具，需要額外腳本和自行搭建模型）。

SIMPLIS采用多段線性化的PWL模型仿真方式，可實(shí)現(xiàn)基本類似SPICE類仿真的效果，但是它的速度相比SPICE類仿真快得多。下面給出一個(gè)對(duì)比：

SIMPLIS非常適合在不失精度的情況下，采用較簡(jiǎn)單的level 0-level 2非線性模型，實(shí)現(xiàn)非常快速的驗(yàn)證。其內(nèi)置的海量非線性元器件，足夠?qū)崿F(xiàn)非理想系統(tǒng)的細(xì)節(jié)波形驗(yàn)證，以及損耗/效率分析。同時(shí)，如果需要更精準(zhǔn)的結(jié)果，它同樣支持導(dǎo)入SPICE模型進(jìn)行仿真和分析（可切換到SIMETRIX仿真器）。

SIMPLIS內(nèi)置大量封裝好的，電源IC中常見的底層數(shù)模邏輯控制模塊，且附帶很多專門針對(duì)電源應(yīng)用的建模與分析模組，對(duì)環(huán)路分析，參數(shù)掃描等常用功能做了優(yōu)化。

另外，如MDM磁性元器件模組，可將最接近真實(shí)的磁件模型導(dǎo)入仿真（8.4版本以后），并顯示設(shè)計(jì)結(jié)果的波形與損耗等。

對(duì)于數(shù)字控制，SIMPLIS有大量數(shù)字電路的元器件庫，也支持配合verilog-A/HDL等代碼輸入（8.4以后支持C），但未直接支持市面上各種微控制器形成聯(lián)動(dòng)，算是數(shù)字控制方面的不足。

PsPice

大名鼎鼎的SPICE類仿真軟件，絕大多數(shù)人接觸它應(yīng)該始于大一的電路理論實(shí)驗(yàn)課。但要注意，它并不是專門針對(duì)開關(guān)變換器開發(fā)的，能實(shí)現(xiàn)的電路分析功能非常復(fù)雜，可以與其他外部組件一起完成系統(tǒng)級(jí)仿真。

我們可以通過PsPice很方便地導(dǎo)入SPICE模型，保證仿真結(jié)果足夠的精準(zhǔn)度，但代價(jià)也是顯著的---慢。

另外，可以看到，由于PsPice并沒有開發(fā)專門針對(duì)電源仿真需求的工具包，因此如環(huán)路分析等需要搭建特殊的模塊，再借助額外的SPICE指令實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于電源仿真來說，Pspice的最大優(yōu)勢(shì)在于，各家IC和半導(dǎo)體供應(yīng)商大多會(huì)直接提供PsPice或者是SPICE模型，可以很方便地直接導(dǎo)入PsPice軟件中進(jìn)行使用和仿真，驗(yàn)證最接近真實(shí)系統(tǒng)的細(xì)節(jié)波形和功能。

這個(gè)優(yōu)勢(shì)并不局限于電源IC，基于SPICE模型的信號(hào)鏈類的精確仿真，Pspice也巨有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。

LTspice

起源于LinearTech（后被ADI收購）的SPICE類仿真軟件，相比PsPice進(jìn)行了大量功能簡(jiǎn)化。由于LT是以電源IC而出名，LTSpice確實(shí)也針對(duì)開關(guān)穩(wěn)壓器的仿真速度進(jìn)行了改進(jìn)，較之標(biāo)準(zhǔn)的SPICE仿真器有了大幅度的提高。

因此，LTSpice適合于以仿真開關(guān)變換器為主，需要很快的仿真速度，且有導(dǎo)入SPICE模型需求的用戶。

另外一個(gè)重要價(jià)值在于，LTSpice是完全免費(fèi)的，且內(nèi)置了LT（ADI）的大量元器件模型。

其他

• 其他常見電子電氣類仿真軟件，如Intusoft公司的ISspice，NI公司的Multisim，TI公司的TINA，及Hspice，PSCAD，Proteus等，并非針對(duì)電源應(yīng)用開發(fā)，或在電源仿真應(yīng)用中失去主流/沒有優(yōu)勢(shì)，本文不予介紹。

• 各半導(dǎo)體IC公司推出的如PsPice for TI, ADIsimPE等，脫胎于上述軟件，不再單列。

• 各半導(dǎo)體IC公司推出的輔助CAD電源設(shè)計(jì)工具，如TI的Webench，ADI的LTpowerCAD，英飛凌的PowerEsim，ONsemi的WebDesigner+，MPS的MPSmart，瑞薩的iSim，美信的EE-Sim等，嚴(yán)格意義上并不算專業(yè)的仿真軟件，本文不予介紹。

  
  

參考資料：

https://www.synopsys.com/verification/virtual-prototyping/saber/saber-exp.html

https://www.youtube.com/results?search_query=saberrd+power

https://www.youtube.com/user/PowersimInc

https://www.youtube.com/channel/UC3HRA805Um2eWRUmbEwbpQQ

https://ww2.mathworks.cn/en/videos/series/developing-dc-dc-converter-control-with-simulink.html

https://ww2.mathworks.cn/content/dam/mathworks/tag-team/Objects/m/motor-power-control-whitepaper.pdf

https://www.youtube.com/watch?v=fsTHCRtUNCA&t=18s

https://www.youtube.com/user/simplistech

https://www.youtube.com/watch?v=Ki6VU0GJr3I

https://www.youtube.com/c/CircuitAnalysis/videos

https://www.ti.com/lit/an/sluaa51/