開(kāi)關(guān)電源的仿真軟件用哪個(gè)？

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網(wǎng)上介紹電力電子仿真軟件的文章錯誤和過(guò)時(shí)信息較多，本文針對非電網(wǎng)/電力系統互聯(lián)類(lèi)的獨立電力電子開(kāi)關(guān)變換系統（簡(jiǎn)稱(chēng)為電源）的仿真，嘗試性地歸納介紹。為了能給剛入門(mén)的讀者一個(gè)基礎概念，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(kāi)關(guān)變換器 switching converter

• 開(kāi)關(guān)調節器/穩壓器 switching regulator

• 開(kāi)關(guān)電源 switching mode power supply(SMPS)

針對電源應用，本文介紹的常見(jiàn)、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。更詳細的信息，請參考官網(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)分支的應用領(lǐng)域。

Saber可支持仿真結果，和預先設置的design specifations（輸入輸出的電壓/電流/紋波/效率等）設計目標進(jìn)行對比。

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

SaberEXP專(zhuān)門(mén)針對開(kāi)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(xiàn)性處理（有的也稱(chēng)PWL模型），魯棒性強，便于收斂，仿真速度快。

SaberRD的功能更加強大且專(zhuān)業(yè)，可以在多個(gè)域進(jìn)行設計（包含熱 磁 機械 物理等）。對每個(gè)器件進(jìn)一步自定義的特征化，包括導入SPICE模型。更高級的，它支持參數掃描，最?lèi)毫庸r分析，可靠性分析（應力和功能安全），并支持并行仿真提高運行速度。如下是上述buck電路輸出電壓worst-case分析的例子。

利用供應商datasheet提供的數據，我們可以在Saber中完成對每一個(gè)組件的詳細建模（查表，曲線(xiàn)，公式）和參數自定義。Saber支持對供應商datasheet曲線(xiàn)的自動(dòng)測繪。

利用SaberEXP和SbaerRD可以完成從理想模型的搭建，到實(shí)際工程樣機的驗證，形成由簡(jiǎn)入繁的設計閉環(huán)。

PSIM

PSIM是專(zhuān)門(mén)針對電力電子與電機驅動(dòng)應用開(kāi)發(fā)的。

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

但從PSIM 11開(kāi)始，在快速仿真的基礎上，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或帶各種參數的level 2非線(xiàn)性模型）或SPICE模型（稱(chēng)為PSIM-SPICE pro）。

并且，PSIM開(kāi)始支持直接在內部嵌入LTspice進(jìn)行仿真。

PSIM對于多種代碼模塊的支持，能用于驗證各類(lèi)數字控制程序。

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

其內置如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控制代碼的導出。利用Code Generation模塊，我們可以通過(guò)配置PSIM C2000模塊中的參數，鏈接CCS軟件，生成實(shí)際的C2000代碼來(lái)實(shí)現實(shí)際的控制。

PLECS

PLECS最早是內嵌在MATLAB-SIMULINK里面的一個(gè)組件，為了彌補Simulink對電力電子系統元器件支持的不足，以及對開(kāi)關(guān)變換器仿真算法的不適配導致的低仿真速度而存在的。后來(lái)因為其采用全理想元器件模型，簡(jiǎn)潔高效，速度極快，非常適合驗證系統的拓撲原理和控制算法，便獨立出來(lái)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(kāi)關(guān)高階模型，PLECS為了極致的運行速度，它通過(guò)已知（或已被廠(chǎng)家建模）的Eon/Eoff和熱參數數據，以look up table的方式建立模型。雖然其效果取決于參數來(lái)源的精確度，但不失為一種快速評估系統性能的仿真方式。

另外，類(lèi)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)現硬件在環(huán)的電力電子半實(shí)物仿真，非常有利于項目的快速驗證。

SIMULINK

內嵌在MATLAB中，因此對數?；旌想娐返膹碗s模型，復雜處理邏輯，和高級控制算法的建模/驗證能力得益于MATLAB。MATLAB針對控制系統，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(méi)有對開(kāi)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(lái)，SIMULINK對電力電子變換電路的支持進(jìn)行了諸多優(yōu)化。針對開(kāi)關(guān)元器件，支持自定義其特性曲線(xiàn)從而逼近真實(shí)的非線(xiàn)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(shuō)，相當于吸收了PSIM和PLECS的部分優(yōu)勢。

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

另外，鑒于MATLAB的強大，適合復雜數字控制，復雜邏輯功能，和高端算法的實(shí)現，SIMULINK可以配合MATLAB的其他工具進(jìn)行復雜的建模和數理分析，甚至搭建更復雜的電氣、電網(wǎng)系統進(jìn)行模型驗證。

同樣地，其對眾多真實(shí)微處理器的聯(lián)動(dòng)（包括TI C2000），和外界真實(shí)系統/其他軟件的數據交互接口，硬件在環(huán)，代碼生成/驗證/基于模型的設計等，自然是不在話(huà)下。此處不進(jìn)行過(guò)多展開(kāi)。

SIMPLIS

SIMPLIS可以說(shuō)是專(zhuān)門(mén)針對電源仿真的，包括板級和IC行為級電路仿真。

它的出現，彌補了傳統SPICE類(lèi)仿真在面對開(kāi)關(guān)變換器時(shí)，出現的種種不足：如仿真速度太慢，收斂性很差，頻域環(huán)路分析支持性弱（沒(méi)有專(zhuān)門(mén)工具，需要額外腳本和自行搭建模型）。

SIMPLIS采用多段線(xiàn)性化的PWL模型仿真方式，可實(shí)現基本類(lèi)似SPICE類(lèi)仿真的效果，但是它的速度相比SPICE類(lèi)仿真快得多。下面給出一個(gè)對比：

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(xiàn)性模型，實(shí)現非?？焖俚尿炞C。其內置的海量非線(xiàn)性元器件，足夠實(shí)現非理想系統的細節波形驗證，以及損耗/效率分析。同時(shí)，如果需要更精準的結果，它同樣支持導入SPICE模型進(jìn)行仿真和分析（可切換到SIMETRIX仿真器）。

SIMPLIS內置大量封裝好的，電源IC中常見(jiàn)的底層數模邏輯控制模塊，且附帶很多專(zhuān)門(mén)針對電源應用的建模與分析模組，對環(huán)路分析，參數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)的磁件模型導入仿真（8.4版本以后），并顯示設計結果的波形與損耗等。

對于數字控制，SIMPLIS有大量數字電路的元器件庫，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)，算是數字控制方面的不足。

PsPice

大名鼎鼎的SPICE類(lèi)仿真軟件，絕大多數人接觸它應該始于大一的電路理論實(shí)驗課。但要注意，它并不是專(zhuān)門(mén)針對開(kāi)關(guān)變換器開(kāi)發(fā)的，能實(shí)現的電路分析功能非常復雜，可以與其他外部組件一起完成系統級仿真。

我們可以通過(guò)PsPice很方便地導入SPICE模型，保證仿真結果足夠的精準度，但代價(jià)也是顯著(zhù)的---慢。

另外，可以看到，由于PsPice并沒(méi)有開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)針對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。

對于電源仿真來(lái)說(shuō)，Pspice的最大優(yōu)勢在于，各家IC和半導體供應商大多會(huì )直接提供PsPice或者是SPICE模型，可以很方便地直接導入PsPice軟件中進(jìn)行使用和仿真，驗證最接近真實(shí)系統的細節波形和功能。

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

LTspice

起源于LinearTech（后被ADI收購）的SPICE類(lèi)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)也針對開(kāi)關(guān)穩壓器的仿真速度進(jìn)行了改進(jìn)，較之標準的SPICE仿真器有了大幅度的提高。

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

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

其他

• 其他常見(jiàn)電子電氣類(lèi)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，并非針對電源應用開(kāi)發(fā)，或在電源仿真應用中失去主流/沒(méi)有優(yōu)勢，本文不予介紹。

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

• 各半導體IC公司推出的輔助CAD電源設計工具，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，嚴格意義上并不算專(zhuān)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/