開關電源的仿真軟件用哪個？
加入技術交流群
概覽
網上介紹電力電子仿真軟件的文章錯誤和過時信息較多，本文針對非電網/電力系統互聯類的獨立電力電子開關變換系統（簡稱為電源）的仿真，嘗試性地歸納介紹。為了能給剛入門的讀者一個基礎概念，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進行如下四種功率（電壓/電流）變換：
電力電子變換器 power electronics converter
功率變換器 power converter
開關變換器 switching converter
開關調節器/穩壓器 switching regulator
開關電源 switching mode power supply(SMPS)
針對電源應用，本文介紹的常見、主流仿真軟件如下：
| 名稱 | 公司 | 官網 |
| Saber | 美國 Synopsys | https://saber-solutions.com/saber-rd/ https://www.synopsys.com/verification/virtual-prototyping/saber.html |
| PSIM | 美國 POWERSIM | https://powersimtech.com/products/psim/capabilities-applications/ |
| PLECS | 瑞士 Plexim GmbH | https://www.plexim.com/products/plecs |
SIMULINK | 美國 Mathworks | https://www.mathworks.com/products/simulink.html |
SIMetrix /SIMPLIS | 英國 SIMetrix 美國 SIMPLIS | https://www.simetrix.co.uk/ https://www.simplistechnologies.com/ |
| PsPice | 美國 Cadence | https://www.pspice.com/ |
| LTspice | 美國 ADI | https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html |
歸納特點如下：
| 特點 | |
| Saber |
|
| PSIM |
|
| PLECS |
|
| SIMULINK |
|
SIMetrix /SIMPLIS |
|
| PsPice |
|
| LTspice |
|
限于篇幅，本文只講每款軟件的關鍵特色。更詳細的信息，請參考官網相關資料。
SABER
SABER本身十分高大上，電源的仿真是Saber一個分支的應用領域。
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）設計目標進行對比。
不同于大家可能過去見得多的老版本，現版的SABER包含兩個模塊：SaberEXP和SaberRD。
SaberEXP專門針對開關變換器的仿真速度進行優化，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，便于收斂，仿真速度快。
SaberRD的功能更加強大且專業，可以在多個域進行設計（包含熱 磁 機械 物理等）。對每個器件進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，最惡劣工況分析，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中完成對每一個組件的詳細建模（查表，曲線，公式）和參數自定義。Saber支持對供應商datasheet曲線的自動測繪。
利用SaberEXP和SbaerRD可以完成從理想模型的搭建，到實際工程樣機的驗證，形成由簡入繁的設計閉環。
PSIM
PSIM是專門針對電力電子與電機驅動應用開發的。
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稱。
但從PSIM 11開始，在快速仿真的基礎上，為了提高仿真的真實度并兼容SPICE仿真體系，每一個器件PSIM都同時支持定義為PSIM模型（ideal或帶各種參數的level 2非線性模型）或SPICE模型（稱為PSIM-SPICE pro）。
并且，PSIM開始支持直接在內部嵌入LTspice進行仿真。
PSIM對于多種代碼模塊的支持，能用于驗證各類數字控制程序。
除此之外，最特色的尚屬PSIM的SimCoder模塊，擁有實時數字控制的巨大仿真優勢。
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，連入電路中進行仿真（Processor in loop）。
同時，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，我們可以通過配置PSIM C2000模塊中的參數，鏈接CCS軟件，生成實際的C2000代碼來實現實際的控制。
PLECS
PLECS最早是內嵌在MATLAB-SIMULINK里面的一個組件，為了彌補Simulink對電力電子系統元器件支持的不足，以及對開關變換器仿真算法的不適配導致的低仿真速度而存在的。后來因為其采用全理想元器件模型，簡潔高效，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和開關高階模型，PLECS為了極致的運行速度，它通過已知（或已被廠家建模）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，實現硬件在環的電力電子半實物仿真，非常有利于項目的快速驗證。
SIMULINK
內嵌在MATLAB中，因此對數模混合電路的復雜模型，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化分析，自動化優化校正的工具包。
但SIMULINK曾經對Power元器件庫的支持是孱弱的，僅限于純理想器件，由于仿真算法沒有對開關電路進行特殊的優化，總體的仿真速度較慢。
近幾年來，SIMULINK對電力電子變換電路的支持進行了諸多優化。針對開關元器件，支持自定義其特性曲線從而逼近真實的非線性行為模型，從而可以獲得損耗/效率/熱學仿真等仿真能力。從這點上說，相當于吸收了PSIM和PLECS的部分優勢。
值得一提的是，新版SIMULINK還支持基于SPICE的網表轉換功能，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，和高端算法的實現，SIMULINK可以配合MATLAB的其他工具進行復雜的建模和數理分析，甚至搭建更復雜的電氣、電網系統進行模型驗證。
同樣地，其對眾多真實微處理器的聯動（包括TI C2000），和外界真實系統/其他軟件的數據交互接口，硬件在環，代碼生成/驗證/基于模型的設計等，自然是不在話下。此處不進行過多展開。
SIMPLIS
SIMPLIS可以說是專門針對電源仿真的，包括板級和IC行為級電路仿真。
它的出現，彌補了傳統SPICE類仿真在面對開關變換器時，出現的種種不足：如仿真速度太慢，收斂性很差，頻域環路分析支持性弱（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，可實現基本類似SPICE類仿真的效果，但是它的速度相比SPICE類仿真快得多。下面給出一個對比：
SIMPLIS非常適合在不失精度的情況下，采用較簡單的level 0-level 2非線性模型，實現非常快速的驗證。其內置的海量非線性元器件，足夠實現非理想系統的細節波形驗證，以及損耗/效率分析。同時，如果需要更精準的結果，它同樣支持導入SPICE模型進行仿真和分析（可切換到SIMETRIX仿真器）。
SIMPLIS內置大量封裝好的，電源IC中常見的底層數模邏輯控制模塊，且附帶很多專門針對電源應用的建模與分析模組，對環路分析，參數掃描等常用功能做了優化。
另外，如MDM磁性元器件模組，可將最接近真實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動，算是數字控制方面的不足。
PsPice
大名鼎鼎的SPICE類仿真軟件，絕大多數人接觸它應該始于大一的電路理論實驗課。但要注意，它并不是專門針對開關變換器開發的，能實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，但代價也是顯著的---慢。
另外，可以看到，由于PsPice并沒有開發專門針對電源仿真需求的工具包，因此如環路分析等需要搭建特殊的模塊，再借助額外的SPICE指令實現。
對于電源仿真來說，Pspice的最大優勢在于，各家IC和半導體供應商大多會直接提供PsPice或者是SPICE模型，可以很方便地直接導入PsPice軟件中進行使用和仿真，驗證最接近真實系統的細節波形和功能。
這個優勢并不局限于電源IC，基于SPICE模型的信號鏈類的精確仿真，Pspice也巨有無可比擬的優勢。
LTspice
起源于LinearTech（后被ADI收購）的SPICE類仿真軟件，相比PsPice進行了大量功能簡化。由于LT是以電源IC而出名，LTSpice確實也針對開關穩壓器的仿真速度進行了改進，較之標準的SPICE仿真器有了大幅度的提高。
因此，LTSpice適合于以仿真開關變換器為主，需要很快的仿真速度，且有導入SPICE模型需求的用戶。
另外一個重要價值在于，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，并非針對電源應用開發，或在電源仿真應用中失去主流/沒有優勢，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業的仿真軟件，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/
*博客內容為網友個人發布，僅代表博主個人觀點，如有侵權請聯系工作人員刪除。
