为了提高设计在生产中正常工作的机会，大多数工程师转向模拟。它提供了对设计功能的评估，这可以节省设计过程中的时间，并最终节省成本。毕竟，重新设计和再生pcb是一项代价高昂的工作。还记得那些设计电路板，在实验室测试，调试，重新设计，一次又一次重复直到设计正确的日子吗?这种方法往往会延迟产品的推出。更糟糕的是，有时在产品交付给客户之前，并不是所有的问题都被发现。

然而，电源管理工程师在将仿真集成到他们的过程中已经很晚了。相比之下，半导体行业几十年前就认识到，只有在制造第一块晶圆之前完全模拟集成电路设计，才能取得成功。例如，Maxim通过使用“第一块硅”投入生产的集成电路数量来衡量模拟的成功。众所周知，电源和转换器很难模拟。更重要的是，针对ic优化的仿真解决方案不一定是功率转换仿真的最佳工具。

也就是说，已经出现了两种用于电源电路的仿真引擎:SIMPLIS和SPICE。在本应用说明中，我们将比较两者，并研究为什么SIMPLIS引擎对电源设计更有效。

你的电源转换器设计是否健康?

有一组“生命体征”测试来确定电源转换器设计的健康和健壮性，这些测试与医学生命体征有关，可以提供人类整体健康状况的概述。根据行业惯例，Maxim的EE-Sim 设计生成和仿真环境将这些测试定义为:

1. 加载步骤

2. 交流回路

3. 稳定状态

4. 行瞬态

5. 启动

6. 效率

就像在我们的人体健康中测量病人的脉搏一样，负载步长可以说是电源转换器设计中最重要的生命体征。正如人的脉搏随着运动而变化一样，当负载电流发生变化时，电源转换器的输出电压也会发生变化。负载阶跃模拟测量输出电压变化的程度和恢复的速度。如果反馈电路设计不当，各种各样的事情都可能发生。例如，转换器可能超调或过调，过度响，恢复太慢，或进入振荡。一个训练有素的工程师可以通过检查负载阶跃瞬态响应图来定性地判断控制回路的有效性。为了更全面地了解控制回路的“健康状况”，使用交流回路分析。

从频域的控制回路来看，交流环路分析可以直接测量控制环路带宽和相位裕度(回到我们人类健康的例子，这一步就像测量病人的血压)。交流分析，也称为小信号，波德或频率响应分析，需要在实验室中不常见的专业设备(示例包括AP Instruments AP300, Omicron Bode 100, orAgilent 4194A或4195A)。当可用时，波德分析仪将信号注入控制回路，然后在该回路的不同点测量信号，以建立两个信号之间的增益和相移。当信号扫过一个频率范围后，增益和相位响应被绘制在对数刻度上。模拟这种分析是特别有价值的，因为分析可能无法在实验室中获得。

有人可能会说，稳态分析是开关模式功率转换的矛盾修饰法。一个更好的描述是平衡分析。当转换器处于平衡状态时，每个开关周期看起来就像其他开关周期一样(类似于我们人类健康中病人的呼吸频率)。周期不相同可能是转换器振荡的信号。实际上，在负载步骤测试期间，通过放大更仔细地检查负载步骤之间的波形，可以观察到稳态运行。使用单独的稳态分析实际上只是为了方便。

另一种干扰控制回路并观察其恢复的方法是通过线路暂态。在观察输出电压的同时，在两个值之间快速步进输入电压。有些应用(如音频)对线路瞬态性能特别敏感。但是，在大多数情况下，这个测试没有加载步骤重要。

Startup专门检查当输入电压第一次被施加(或使能引脚被断言)时会发生什么。当它达到调节值时，输出电压应以相对缓慢的方式平稳上升，很少或没有超调。通常，在电源转换器首次打开之前，应通过模拟负载步进，交流回路来验证控制系统的健康状况，然后在进入实验室之前启动。

效率分析建立了转换器的功率损失，这导致了组件温升的估计(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热量的设计。如果变换器处于振荡状态，则元件应力和功率损耗较高，而效率较低。

在这些测试提供有用的方向之前，变换器必须稳定且不振荡。这就是为什么直接建立控制系统稳定性和响应性的测试-负载阶跃和交流回路分析-是最重要的。

SIMPLIS和SPICE有什么不同?

现在让我们仔细看看SIMPLIS和SPICE引擎。SIMPLIS(分段线性系统仿真)出现在20世纪80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现在开发并拥有该引擎。今天，SIMPLIS是一个流行的引擎，用于功率转换电路仿真以及新的ic定义分析。SPICE(以集成电路为重点的仿真程序)是20世纪70年代在加州大学伯克利分校开发的。它是一个通用的、开源的电子电路仿真引擎。许多人认为SPICE电路仿真是验证晶体管级电路运行的工业标准方法。

比较SIMPLIS和SPICE引擎的最佳方法是查看每个引擎如何处理最关键的“生命体征”功率转换测试。SIMPLIS和SPICE之间有两个真正的区别。首先，SIMPLIS生成负载步长分析的速度比SPICE快得多:您可以以10倍到50倍的速度获得准确的结果。

其次，与SPICE相比，使用SIMPLIS进行交流环路分析所需的工作量少了一个数量级。使用spice，交流环路分析需要相当多的额外时间和注意力。另一方面，SIMPLIS是专门为提供交流环路分析而设计的，作为快速时域仿真的副产品。

为了渲染博德的情节，SPICE需要很多特别的注意。事实上，一些用户直接跳过基于spice的ACloop分析，而是试图仅从负载阶跃瞬态响应推断控制环的鲁棒性。然而，这有点像跳过病人的血压测量，而是依靠病人的脉搏。

有多种方法可以执行基于spice的交流环路分析。您可以运行几个不同的spice瞬态时域模拟，每个模拟都有一个独特的正弦摄动源。然后，您可以对每个结果执行快速傅里叶变换(FFT)算法，并将所有结果后处理成波德图。然而，这是一个漫长的过程，可能需要几个小时，这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没有开关的“平均”或“小信号”模型，它在SPICE中比开关SPICE模型运行得更快。这种功率转换小信号建模问题在几十年前就被认识到了。加州理工大学和弗吉尼亚理工大学的研究人员已经彻底分析了这个问题，并成功地使小信号模型变得实用。即便如此，这两种不同的SPICE模型仍然需要联系起来。

最后，一些工程师选择创建第二个计算引擎来避免SPICE/Bode图问题。这种方法包括使用代码或Excel来解决波德图问题，而不使用SPICE。然而，这是一种耗时且昂贵的方法。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。

为什么SIMPLIS是一个更好的选择?

许多工程师继续使用SPICE来模拟电源电路，尽管该引擎最初并不是为此目的而开发的，尽管它在开关模式ic方面存在缺陷。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，因此在相同精度水平下，SIMPLIS的执行速度比SPICE快10到50倍。因此，SIMPLIS可以将一个完整的电路表征为线性电路拓扑的循环序列。由于SPICE以非常精确的细节以小增量解析所有电压和电流，因此它也非常慢。SPICE还需要使用平均模型和切换模型进行仿真，而SIMPLIS只使用一个模型。

因此，结论很简单:SIMPLIS在更快的时间范围内提供spice级别的准确性。这样，您就可以将更多的资源投入到设计工作中，而不是陷入模拟任务的泥潭。

2017年9月20日，EDN上出现了类似版本的申请说明。