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文档简介

1、清华大学电机工程与应用电子技术系清华大学电机工程与应用电子技术系 2003年年9月北京月北京目前常用的电力电子模拟电路仿真软件大体可以分为以下几目前常用的电力电子模拟电路仿真软件大体可以分为以下几类,一类是利用包括有详细器件模型的通用电路仿真软件如类,一类是利用包括有详细器件模型的通用电路仿真软件如SPICE,SABER进行电力电子电路仿真;另一类是在现有的专进行电力电子电路仿真;另一类是在现有的专用仿真软件如电力系统仿真软件用仿真软件如电力系统仿真软件EMTP中加入以理想开关为模中加入以理想开关为模型的电力电子器件模型,从而将仿真领域扩展到包括电力电子型的电力电子器件模型,从而将仿真领域扩展

2、到包括电力电子装置的系统分析中。还有一类是对电子电路某些方面,如热学,装置的系统分析中。还有一类是对电子电路某些方面,如热学,电磁兼容等,的特性进行分析的软件用于电力电子电路的设计电磁兼容等,的特性进行分析的软件用于电力电子电路的设计以提高产品的可靠性。以提高产品的可靠性。以下我们将对国内电力电子领域中常用的几种仿真软件的历以下我们将对国内电力电子领域中常用的几种仿真软件的历史,其性能特点,和在电力电子电路的仿真中适用程度进行简史,其性能特点,和在电力电子电路的仿真中适用程度进行简单的介绍。单的介绍。1.3 通用电路仿真软件通用电路仿真软件为了便于对不同仿真软件在对电力电子电路进行时域仿真时的

3、为了便于对不同仿真软件在对电力电子电路进行时域仿真时的特点进行比较,采用一个如下图所示的零电流准谐振变流器进特点进行比较,采用一个如下图所示的零电流准谐振变流器进行研究。其中开关频率为行研究。其中开关频率为1MH,占空比为占空比为0.3,电路中续流二极,电路中续流二极管和功率管和功率MOS管分别用管分别用PSPICE的内建的的内建的D1N4148和和IRF150详详细模型描述。电路中细模型描述。电路中Cr和和Lr分别为谐振电容和电感,电流源则分别为谐振电容和电感,电流源则用来模拟输出滤波电路和负载电阻。用来模拟输出滤波电路和负载电阻。ORCAD/PSPICE简介简介 1.3.1 历史和基本特点

4、历史和基本特点 OrCAD是美国是美国OrCAD Systems 公司于上个世纪公司于上个世纪80年代推出的通用逻辑电路设计软年代推出的通用逻辑电路设计软件包,它包括电路原理图设计组件件包,它包括电路原理图设计组件ORCAD/SDT(Schematic Design Tool),),逻辑电逻辑电路仿真组件路仿真组件ORCAD/VST(Verification and Simulation Tools),),可编程逻辑电路设计可编程逻辑电路设计组件组件ORCAD/PLD(Programmable Logic Device),),和印刷电路板版图设计组件和印刷电路板版图设计组件ORCAD/PCB(

5、Printed Circuit Board)。)。设计人员可以首先借助设计人员可以首先借助SDT对电路原理图进对电路原理图进行设计,并经过后处理生成相应的电路连接网表文件;该文件随后作为行设计,并经过后处理生成相应的电路连接网表文件;该文件随后作为VST的输入,的输入,在用户设置的输入信号作用下,根据电路的结构拓扑关系和各单元的功能和延迟特性在用户设置的输入信号作用下,根据电路的结构拓扑关系和各单元的功能和延迟特性,进行仿真,通过分析电路中各节点的逻辑状态变化来确定所设计的电路是否满足预,进行仿真,通过分析电路中各节点的逻辑状态变化来确定所设计的电路是否满足预定的要求;在电路设计完成后,即可直

6、接调用定的要求;在电路设计完成后,即可直接调用PCB组件根据设计好的电路原理图进行组件根据设计好的电路原理图进行印制版图的设计,从而完成逻辑电路计算机辅助设计的全过程。印制版图的设计,从而完成逻辑电路计算机辅助设计的全过程。 SPICE(Simulation Program with IC Emphasis)是一种通用的电子电路仿真软件是一种通用的电子电路仿真软件包。包。1972年由美国加州大学伯克莱分校计算机辅助集成电路设计小组开发的,主要用年由美国加州大学伯克莱分校计算机辅助集成电路设计小组开发的,主要用于大规律集成电路的计算机辅助设计,是得到最为广泛应用的一个电子电路设计软件于大规律集成

7、电路的计算机辅助设计,是得到最为广泛应用的一个电子电路设计软件。它利用设计人员易于掌握和应用的硬件描述语言(。它利用设计人员易于掌握和应用的硬件描述语言(VHDL)来对电路的结构,参数来对电路的结构,参数以及希望分析的电路特性进行描述,其后根据用户设置的条件的电路进行仿真,并根以及希望分析的电路特性进行描述,其后根据用户设置的条件的电路进行仿真,并根据计算结果验证所设计电路的可行性。据计算结果验证所设计电路的可行性。PSPICE则是由美国则是由美国MicroSim公司于公司于1984年在年在2G版本基础上加以改进以适合版本基础上加以改进以适合PC机使用的机使用的SPICE版本,该软件在版本,该

8、软件在PSPICE6.0及以后的及以后的版本由于采用了图形界面,更进一步方便了用户的使用。版本由于采用了图形界面,更进一步方便了用户的使用。 1998年年OrCAD公司并购了公司并购了MicroSim公司,经过重新集成的公司,经过重新集成的OrCAD/PSPICE软件的软件的环境如图环境如图1所示,主要包括作为前处理的所示,主要包括作为前处理的OrCAD Capture组件,用于电路原理图设计,组件,用于电路原理图设计,仿真参数设置以及产生电网络连接表(仿真参数设置以及产生电网络连接表(Netlist););仿真器仿真器OrCAD Pspice随后根据上述随后根据上述网络连接表对电路进行仿真。

9、一旦设计的原理图通过验证,就可以进入后续的网络连接表对电路进行仿真。一旦设计的原理图通过验证,就可以进入后续的Layout Plus程序进行印刷电路板版图的设计,或进入程序进行印刷电路板版图的设计,或进入Express进行可编程逻辑元件(进行可编程逻辑元件(PLD)的的设计。现在该公司又被设计。现在该公司又被Cadence公司并购,所推出的公司并购,所推出的9.2版即是该公司命名并进行了重版即是该公司命名并进行了重新组合。新组合。ORCAD为设计者提供了一个由基于原理图或VHDL文件的电路设计; FPGA和CPLD综合设计;到数字,模拟,数模混合仿真;直到印刷板设计的整体解决方法。上面所示为软

10、件包的主要模块:CIS器件信息系统(COMPONENT INFORMATION SYSTEM)PSPICE AD图形编辑器MODEL EDITOR模型编辑器OPTIMIZER优化器STIMULUSEDITOR信号源编辑器PSPICE A/D简介简介PSPICEPSPICE采用的是所谓非程序化语言,即它不包括任何赋值和采用的是所谓非程序化语言,即它不包括任何赋值和IFTHENELSE结构的语句。因此不可以由用户自定义函数,而需采用其中已有模型生结构的语句。因此不可以由用户自定义函数,而需采用其中已有模型生成新器件。即不是开放型的软件。成新器件。即不是开放型的软件。它通过绘制原理图,经由图形编辑器

11、生成的网络结构表(它通过绘制原理图,经由图形编辑器生成的网络结构表(NET LIST)作为作为程序输入。所生成的表中包括了器件,相互之间的连接和其参数。程序输入。所生成的表中包括了器件,相互之间的连接和其参数。结构上它采用了一系列扩展函数:结构上它采用了一系列扩展函数:时域:时域: 表达式中可以包括常数,参数,数学函数(如表达式中可以包括常数,参数,数学函数(如LOG,EXP,TRIG等)和等)和节点电压,电流;以及运行时间节点电压,电流;以及运行时间(TIME)VALUEsin(twopi*fc*Time) 表函数,即可以采用插值方法:表函数,即可以采用插值方法:TABLE 1V(4),(,

12、(0 0)()(0.1 0.2)频域:频域: LAPLACE LAPLACE 变换,其中可以包括常数,参数,数学函数等变换,其中可以包括常数,参数,数学函数等 LAPLACE V(5)+V(6) 1/(1+t1*S) 表函数:表函数: FREQ V(7) (0 0 0) (5k 0 -5760)分析种类:交流,直流,参数扫描,优化,蒙特卡洛等多种分析。分析种类:交流,直流,参数扫描,优化,蒙特卡洛等多种分析。DRC:design rules check原理图设计视窗原理图设计视窗(CAPTURE)项目管理视窗项目管理视窗(PROJECT MANAGER):设计资源文件夹设计资源文件夹: : 设

13、计文件夹设计文件夹(DSN): : 原理图文件夹原理图文件夹,原理图页面原理图页面 ( (点击即可进入原理图编辑器点击即可进入原理图编辑器, , 而通过点击器件则可进入器而通过点击器件则可进入器件编辑器件编辑器) ) 设计存储文件夹设计存储文件夹: :器件清单器件清单 库文件夹库文件夹: : 设计中所用器件所属库设计中所用器件所属库输出文件夹输出文件夹: : 设计规则检查设计规则检查(DRC), , 网络连接表生成网络连接表生成(NETLIST)翻译器翻译器: :PSPICE资源文件夹资源文件夹: :下图为升降压斩波器电路下图为升降压斩波器电路M1IRF150D1D1N4002V+L1Lvar

14、V-PARAMETERS:LVAR = 5mhR11kV+V-Vg+ -Vs50V+-C1100uF器件选择器件选择波形图波形图数据数据别名别名设计备份设计备份开放式数据库互接开放式数据库互接.DSN:设计的电路图文件;:设计的电路图文件; .OPJ:项目文件;:项目文件; .CIR:电路主文件,包括固定格式和仿真指令;:电路主文件,包括固定格式和仿真指令; .NET:电气网络连接表,表示为元件名称,数值,连接状态的:电气网络连接表,表示为元件名称,数值,连接状态的描述;描述; .ALS:元件端点连线在电路中的命名(别名);:元件端点连线在电路中的命名(别名); .OUT:输出文件,内容包括电

15、路的网络连接描述,指令和选:输出文件,内容包括电路的网络连接描述,指令和选项,仿真结果,仿真过程中所产生的错误信息;如加以特别设置项,仿真结果,仿真过程中所产生的错误信息;如加以特别设置也可包括一些仿真后的结果,如频谱分析结果等。也可包括一些仿真后的结果,如频谱分析结果等。 .DAT:二进制数据文件,表示仿真的结果,主要为:二进制数据文件,表示仿真的结果,主要为 Probe 程序程序观测结果用,可根据用户指令产生各种曲线和图表;观测结果用,可根据用户指令产生各种曲线和图表; .PRB:记录操作结束后波形图:记录操作结束后波形图数据,可供用户随时调出;数据,可供用户随时调出; .STL:输入激励

16、源信号数据;:输入激励源信号数据; .STM:利用模型编辑器生成文字式输入信号描述;:利用模型编辑器生成文字式输入信号描述; .INC:包含文件,:包含文件,ASCII 文本文件,内容为用户定义的指令和文本文件,内容为用户定义的指令和输出文件的注解。输出文件的注解。 PSPICE AD (数据处理器)数据处理器) 对于对于PSPICE的文本文件,即以的文本文件,即以.cir 为后缀的文件可以利用为后缀的文件可以利用DESIGN MANAGER 中的数据处理器进行仿真。中的数据处理器进行仿真。5以前版本的以前版本的 .cir 文件是一个完全的文件,文件是一个完全的文件,即除需调用的库外是即除需调

17、用的库外是 完整的。而通过完整的。而通过SCHEMATIC 的图形文件的图形文件 .sch 生成的生成的 .cir 文文件则需包含件则需包含 NET LIST 和和ALIAS 文件,如图右所示,但结果是相同的。文件,如图右所示,但结果是相同的。* C:MSim_8projectsedubuk-boost.sch* Schematics Version 8.0 - July 1997* Wed Sep 24 09:05:05 1997.PARAM Lvar=5mh * Analysis setup *.tran 100us 50ms* From SCHEMATICS NETLIST sectio

18、n of msim.ini:.lib C:MSim_8projectsls2.lib.lib nom.lib* Schematics Netlist *C_C1 0 $N_0001 100uF V_Vs $N_0002 0 50VD_D1 $N_0001 $N_0003 D1N4002 M_M1 $N_0002 $N_0004 $N_0003 $N_0003 IRF150L_L1 0 $N_0003 Lvar V_Vg $N_0004 $N_0003 DC 0V AC 0V+PULSE 5V -5V 0.7ms 1us 1us 298us 1msR_R1 0 $N_0001 R_R1 1k .

19、model R_R1 RES R=1 DEV=10%.probe I(L_L1).END*C:MSim_8projectsedubuk-boost.sch* Schematics Version 8.0 - July 1997* Wed Sep 24 10:58:52 1997.PARAM Lvar=5mh * Analysis setup *.tran 100us 50ms* From SCHEMATICS NETLIST section of msim.ini:.lib C:MSim_8projectsls2.lib.lib nom.lib.INC buk-.INC buk-boost.a

20、be.END* 09/23/97 21:19:30 * Win95 PSpice 8.0 (July 1997) * ID# 12345 * * C:MSim_8projectsedubuk-boost.sch * CIRCUIT DESCRIPTION* Schematics Version 8.0 - July 1997 输出文件* Tue Sep 23 21:19:28 1997.PARAM Lvar=5mh * Analysis setup *.tran 100us 50ms.STEP LIN PARAM Lvar 1mh 10mh 2mh * From SCHEMATIC

21、S NETLIST section of msim.ini:.lib C:MSim_8projectsls2.lib.lib nom.lib.INC buk-* INCLUDING buk- * Schematics Netlist *(网络连接表)C_C1 0 $N_0001 100uF V_Vs $N_0002 0 50VD_D1 $N_0001 $N_0003 D1N4002 M_M1 $N_0002 $N_0004 $N_0003 $N_0003 IRF150L_L1 0 $N_0003 Lvar V_Vg $N_0004 $N_0003 DC 0V AC 0V+PULSE 5V -5

22、V 0.7ms 1us 1us 298us 1msR_R1 0 $N_0001 R_R1 1k .model R_R1 RES R=1 DEV=10%* RESUMING buk-boost.cir *.INC buk-boost.als* INCLUDING buk-boost.als * Schematics Aliases *(别名描述体.ALIASESC_C1 C1(1=0 2=$N_0001 )V_Vs Vs(+=$N_0002 -=0 )D_D1 D1(1=$N_0001 2=$N_0003 )M_M1 M1(d=$N_0002 g=$N_0004 s=$N_0003 s=$N_0

23、003 )L_L1 L1(1=0 2=$N_0003 )V_Vg Vg(+=$N_0004 -=$N_0003 )R_R1 R1(1=0 2=$N_0001 ).ENDALIASES* RESUMING buk-boost.cir *.probe.END文件分为两大部分,一为程序部分,文件分为两大部分,一为程序部分,包括程序中问题;二为仿真环境,包括程序中问题;二为仿真环境,包括初始条件和运行中发生的问题。包括初始条件和运行中发生的问题。程序部分包括网络连接表和别名描程序部分包括网络连接表和别名描述体。述体。* 09/23/97 21:19:30 * Win95 PSpice 8.0 (Jul

24、y 1997) * ID# 12345 * * C:MSim_8projectsedubuk-boost.sch * Diode MODEL PARAMETERS* D1N4002 IS 14.110000E-09 N 1.984 ISR 100.000000E-12 IKF 94.81 BV 100.1 IBV 10 RS .03389 TT 4.761000E-06 CJO 51.170000E-12 VJ .3905 M .2762 * 09/23/97 21:19:30 * Win95 PSpice 8.0 (July 1997) * ID# 12345 * * C:MSim_8pro

25、jectsedubuk-boost.sch * MOSFET MODEL PARAMETERS* IRF150 NMOS LEVEL 3 L 2.000000E-06 W .3 VTO 2.831 KP 20.530000E-06 GAMMA 0 PHI .6 RD 1.031000E-03 RS 1.624000E-03 RG 13.89 RDS 444.400000E+03 IS 194.000000E-18 JS 0 PB .8 PBSW .8 CBD 3.229000E-09 CJ 0 CJSW 0 TT 288.000000E-09 CGSO 9.027000E-09 CGDO 1.

26、679000E-09 TOX 100.000000E-09 XJ 0 DELTA 0 ETA 0 DIOMOD 1 VFB 0 U0 0 TEMP 0 VDD 0 XPART 0 * 09/23/97 21:19:30 * Win95 PSpice 8.0 (July 1997) * ID# 12345 * * C:MSim_8projectsedubuk-boost.sch * Resistor MODEL PARAMETERS* R_R1 R 1 * 09/23/97 21:19:30 * Win95 PSpice 8.0 (July 1997) * ID# 12345 * * C:MSi

27、m_8projectsedubuk-boost.sch * INITIAL TRANSIENT SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG C* CURRENT STEP PARAM LVAR = 5.0000E-03* NODE VOLTAGE($N_0001) 30.70E-21 ($N_0002) 50.0000 ($N_0003) 0.0000 ($N_0004) 5.0000 VOLTAGE SOURCE CURRENTS NAME CURRENT V_Vs -7.166E+00 V_Vg 0.000E+00 TOTAL POWER DISSIPATION 3

28、.58E+02 WATTS JOB CONCLUDED TOTAL JOB TIME 47.32仿真环境包括主要器仿真环境包括主要器件参数初始值,和仿件参数初始值,和仿真结果:真结果:1 1。电路功耗。电路功耗2 2。运行机时。运行机时对于复杂的电路对于复杂的电路PSPICEPSPICE中采用了可以分层设计的功能,这可以通中采用了可以分层设计的功能,这可以通过如图所示的设计模块的方法或增加页面的方法实现。过如图所示的设计模块的方法或增加页面的方法实现。 器件模型编辑器(器件模型编辑器(PARTS) 作为作为PSPICE一个重要组成部分,一个重要组成部分,PARTS为用户提供了一个根据厂家提供的

29、器件为用户提供了一个根据厂家提供的器件数据自行编制器件模型并用于仿真的可能。实际应用中包括两种基本类型:一是数据自行编制器件模型并用于仿真的可能。实际应用中包括两种基本类型:一是建立全局的模型,存有用户库中便于今后仿真使用;另外就是建立局部的即时模建立全局的模型,存有用户库中便于今后仿真使用;另外就是建立局部的即时模型(型(INSTANT)用于特点的仿真程序中。用于特点的仿真程序中。全局模型:利用管理视窗中全局模型:利用管理视窗中PARTS直接进行。实际步骤包括:建立用户库,引入直接进行。实际步骤包括:建立用户库,引入模型(包括模型(包括NEW,COPY和和GET方式)。方式)。比如利用比如利

30、用NEW即引入即引入新器件,得到下述菜新器件,得到下述菜单,即性能,参数和单,即性能,参数和曲线。当选择某种性曲线。当选择某种性能时,相应的参数即能时,相应的参数即出现星号,改变该参出现星号,改变该参数即影响性能。该变数即影响性能。该变化可由曲线直观看化可由曲线直观看出。比如出。比如MOS线性线性区跨导区跨导KF由由1变变10。另一种全局模型可以在另一种全局模型可以在SCHEMATIC主菜单中以编辑库的方式进入。主菜单中以编辑库的方式进入。即时(本地)模型:该模型为有即时(本地)模型:该模型为有SCHEMATIC中选定的某个器件模中选定的某个器件模型的复件基础上进行修改后生成的,它的编辑对库不

31、产生影响,因型的复件基础上进行修改后生成的,它的编辑对库不产生影响,因此其作用是局部的。编辑后它会自动在器件名称后增加此其作用是局部的。编辑后它会自动在器件名称后增加Xn后缀。后缀。而在修改后可以自动生成一个以该项目命名的库并将该模型存储其而在修改后可以自动生成一个以该项目命名的库并将该模型存储其中。中。CIS: component information system(元件信息系统元件信息系统)本地信息系统远地信息系统器件名称器件名称性能性能外形图外形图技术参数技术参数购买信息购买信息Internet component assistantMRPMRP: Manufacturing reso

32、urce planningERPERP: Enterprise resource planningPDM:PDM: Product data managementODBC:ODBC:Open database connectivity集总数据库集总数据库Bill of MaterialCIS 环境环境:CIS包括两个窗口包括两个窗口,即本地器件数据窗和器件探测器窗。即本地器件数据窗和器件探测器窗。器件数据窗(器件数据窗(PART MANAGER):):该窗可由该窗可由CAPTURE窗口中的窗口中的TOOLSPART MANGEROPEN 打开,其中内容包括序号,器件位于程序页号,打开,其中内容

33、包括序号,器件位于程序页号,名称,器件的值,器件的数量,数据库的关系,器件库(名称,器件的值,器件的数量,数据库的关系,器件库(SLB)的位置,器的位置,器件封装库(件封装库(PLB)的位置。的位置。探测器窗(探测器窗(EXPLORER):):该窗可由该窗可由CAPTURE的的PLACEPLACE DATABASE PART中得到。它包括两个视窗,即本地和中得到。它包括两个视窗,即本地和 INTERNET辅助窗辅助窗(ICA)。)。可以通过点击位于底部的选择条进行选择。可以通过点击位于底部的选择条进行选择。从中可以得到所关心的器件的类型探测窗,器件接线图,器件封装外形图,器件从中可以得到所关心

34、的器件的类型探测窗,器件接线图,器件封装外形图,器件性质和器件表。其中器件数据服务器性质和器件表。其中器件数据服务器CDS(COMPONENT DATA SERVER)表中表中则包含分类,零件号,类型,值,性能描述,封装形式,厂家,供应商,价格,则包含分类,零件号,类型,值,性能描述,封装形式,厂家,供应商,价格,状况,网址。所以一旦用户采用新的器件,除可从本地数据库中选择外,还可以状况,网址。所以一旦用户采用新的器件,除可从本地数据库中选择外,还可以从网上从网上直接下直接下载器件载器件模型,模型,进行仿进行仿真研究。真研究。(3 3)印刷板(印刷板(PCBoardPCBoard)设计设计印刷

35、板设计是电力电子电路设计中一个重要方面,印刷板设计是电力电子电路设计中一个重要方面,PSPICEPSPICE中将该功能与原理图中将该功能与原理图设计相连接,用户可以直接由设计相连接,用户可以直接由SCHEMATIC SCHEMATIC 中得到的电路转向印刷板设计图中得到的电路转向印刷板设计图。下图为一个数字电下图为一个数字电路,在原理图设计路,在原理图设计结束后选择结束后选择TOOLSTOOLS中中RUN PCBOARDS RUN PCBOARDS 则可则可得到下页所示印刷得到下页所示印刷电路图。电路图。在在PSPICEPSPICE中每个器件中每个器件的编辑窗中应包括的编辑窗中应包括两项,即:

36、模板两项,即:模板(TEMPLATETEMPLATE)和封装和封装(PKGREFPKGREF)。)。没有没有或模板一项为空白或模板一项为空白表明该器件可以用表明该器件可以用于印刷电路设计但于印刷电路设计但不能用于仿真。而不能用于仿真。而没有或封装项仅没有或封装项仅为器件名称则该器件为器件名称则该器件不能出现于印刷电路不能出现于印刷电路设计中。设计中。该电路为机器生成初步电路,实际中还需加以修改,得到实际可以应用的电路。该电路为机器生成初步电路,实际中还需加以修改,得到实际可以应用的电路。该电路可以存为以该电路可以存为以 . .pca 为后缀的文件。此外可以通过选择为后缀的文件。此外可以通过选择

37、TOOLS中中 RUN SCHEMATIC 一项生成其电路原理图。为了验证印刷电路设计的正确性一项生成其电路原理图。为了验证印刷电路设计的正确性PSPICE中具有三个功能函数:即,设计规则检查(中具有三个功能函数:即,设计规则检查(DRC),),设计变化调整(设计变化调整(ECO)和电和电气连接图比较。同时在电路图设计视窗还包括外形图检查(气连接图比较。同时在电路图设计视窗还包括外形图检查(FOOTPRINT)。)。性能分析性能分析: :在完成电路图进行仿真之前需确定分析目的,此时选择在完成电路图进行仿真之前需确定分析目的,此时选择ANALYSISANALYSIS,生成生成子菜单显示可以仿真的

38、类型,包括交流扫描,即通过扫频研究频响特性;直流子菜单显示可以仿真的类型,包括交流扫描,即通过扫频研究频响特性;直流扫描,即对电压,模型参数在指定范围扫描;直流工作点分析;传递函数分析,扫描,即对电压,模型参数在指定范围扫描;直流工作点分析;传递函数分析,即直流工作点附加线性化小信号传递函数;灵敏度分析,寻找对电路直流偏置即直流工作点附加线性化小信号传递函数;灵敏度分析,寻找对电路直流偏置影响最大的元件,减小其对电路影响;蒙特卡若用于对电路参数进行统计分析;影响最大的元件,减小其对电路影响;蒙特卡若用于对电路参数进行统计分析;参数扫描用于对模型参数对系统响应的影响进行分析;温度分析用于分析温度

39、参数扫描用于对模型参数对系统响应的影响进行分析;温度分析用于分析温度影响的模型参数对系统的影响;暂态分析对系统的动态过程利用数值积分将状影响的模型参数对系统的影响;暂态分析对系统的动态过程利用数值积分将状态方程转化为非线性代数方程再用牛顿拉夫逊法求解。态方程转化为非线性代数方程再用牛顿拉夫逊法求解。变量相互关系分析变量相互关系分析 仿真运行结束自动生成以时间为X轴缺省变量的时域波形。如希望研究变量相互之间的关系可以在PROBE窗口中选择PLOT(即分析类型设置)改变X轴设置(Axis variable),比如可选择电感中电流作为X轴变量,而生成研究其与电容上电压的关系的曲线即相平面图。图形中系

40、统的电压最后收敛于图形中系统的电压最后收敛于0 0,所以实际上作为串联谐振变流器,所以实际上作为串联谐振变流器的该系统不能正常工作。的该系统不能正常工作。参数扫描参数扫描: : 下图为升降压斩波器下图为升降压斩波器, , 对电感参数进行选择对电感参数进行选择.1. 1. 确定扫描参数确定扫描参数 VAR;VAR;2. 2. 引入引入PARAM , PARAM , 即参数设置器件即参数设置器件, , 给定缺省值给定缺省值; ;3. 3. 设置参数扫描范围,方式;设置参数扫描范围,方式;4. 4. 扫描扫描, , 并显示结果并显示结果; ;5. 5. 深入分析深入分析, , 如最大值等如最大值等;

41、 ;M1IRF150PARAMETERS:LVAR = 5mhV+L1LvarVs50V+-D1D1N4002V+V-Vg+ -R11kV-C1100uF变量相互关系分析变量相互关系分析 仿真运行结束自动生成以时间为仿真运行结束自动生成以时间为X X轴缺省变量的时域波形。如希望轴缺省变量的时域波形。如希望研究变量相互之间的关系可以在研究变量相互之间的关系可以在PROBEPROBE窗口中选择窗口中选择PLOTPLOT(即分析类型即分析类型设置)改变设置)改变X X轴设置(轴设置(Axis variableAxis variable),),比如可选择电感中电流作为比如可选择电感中电流作为X X轴变

42、量,而生成研究其与电容上电压的关系的曲线即相平面图。轴变量,而生成研究其与电容上电压的关系的曲线即相平面图。1kV1I0.03ufCrD1N4148C10.1uHLrRc5AIV0V2R2M1IRF150X轴的设定轴的设定缺省为时间,缺省为时间,作特殊分析作特殊分析时,可以由时,可以由选项选项plot进进入,按仿真入,按仿真需要设置轴。需要设置轴。在进行扫描时可以先选取一组定义横轴,然后其它各族均采用相同在进行扫描时可以先选取一组定义横轴,然后其它各族均采用相同的坐标系从而在同一平面上画出不同参数对系统稳态响应当影响。的坐标系从而在同一平面上画出不同参数对系统稳态响应当影响。性能分析性能分析

43、对于扫描结果,对于扫描结果,可以进行性能分析。可以进行性能分析。其步骤如下:其步骤如下: 1. 1.在在PROBE窗口窗口中,选择中,选择TRACE即即分析种类;分析种类; 2. 选择选择Perfoemance 3.Wizard(功能)功能) 4.目标函数目标函数(GOAL FUNCTION) 5. Search trace(对象)对象) 6. 6. 显示曲线。给出器件在回路电感不同时所承受的峰值电压的大小,如与其他分显示曲线。给出器件在回路电感不同时所承受的峰值电压的大小,如与其他分析结合可优化系统参数。析结合可优化系统参数。Wizard蒙特卡洛和最坏条件分析蒙特卡洛和最坏条件分析 二者的目

44、的均是利用统计方法分析器二者的目的均是利用统计方法分析器件误差对电路特性的影响程度,件误差对电路特性的影响程度,worst (WC)分析是对电路进行灵敏度和最坏条件分析是对电路进行灵敏度和最坏条件分析,即找出使输出信号偏差最大的元件值;而分析,即找出使输出信号偏差最大的元件值;而monte carlo (MC)分析则是在误差分析则是在误差范围中以随机取样的方式就元件误差对电路特性的影响进行统计分析范围中以随机取样的方式就元件误差对电路特性的影响进行统计分析, , 以优化参数。以优化参数。其中第一次运行用标称值仿真,其后根据各个器件参数的容差规定随机选取在限其中第一次运行用标称值仿真,其后根据各

45、个器件参数的容差规定随机选取在限度内偏离标称值的不同值进行运算;并将各次结果与标称结果进行比较,得到元度内偏离标称值的不同值进行运算;并将各次结果与标称结果进行比较,得到元器件容差引起的输出结果偏离的统计分析器件容差引起的输出结果偏离的统计分析。 蒙特卡洛分析:蒙特卡洛分析:在元件误差范围中随机变化元件的参数,然后将系统的响应记录下来,进行分析,在元件误差范围中随机变化元件的参数,然后将系统的响应记录下来,进行分析,次数可由用户定义,但第一次是采用标称值进行仿真。由于元件的误差通常呈现次数可由用户定义,但第一次是采用标称值进行仿真。由于元件的误差通常呈现高斯分布,所以如随机数采用高斯曲线分布可

46、以得到更好的效果。高斯分布,所以如随机数采用高斯曲线分布可以得到更好的效果。1. 1. 分析类型:分为分析类型:分为LOT(相同模型器件参数全部同时变化,适于集成电路)和相同模型器件参数全部同时变化,适于集成电路)和DEV(器件参数分别变化)两种。器件参数分别变化)两种。2. 对照函数(对照函数(FUNCTION):): Ymax: 此后运行中和标称结果最大差;此后运行中和标称结果最大差; Max(Min):波形最大(小)值;波形最大(小)值; Fall(Rise): 第一次小(大)于阈值;第一次小(大)于阈值; Range Hi(Lo): 评价函数上(下)限;评价函数上(下)限; 3. MC

47、分析:分析: List:每次运行种模型和参数每次运行种模型和参数 All:所有输出所有输出 First:第一轮运第一轮运行中第行中第n次数据次数据 Every:每轮运行中第每轮运行中第n次数据次数据 Runs:仅列指定运行次数数据仅列指定运行次数数据选择扫描次数;随机数的形式,即选择扫描次数;随机数的形式,即UNIFORM (均匀分布)和均匀分布)和GAUSSIAN (高高斯分布);设置存储结果的形式。其后点击斯分布);设置存储结果的形式。其后点击More Selection选择分析结果的形式选择分析结果的形式. 采用升降压斩波器进行分析。采用升降压斩波器进行分析。对于非库存的无源和半导体器件

48、对于非库存的无源和半导体器件Orcad提供了一组所谓提供了一组所谓Breakout(开放式)器件,开放式)器件,用户可以根据仿真的需要对其参数进行编辑,从而可以在进行统计分析时设置用户可以根据仿真的需要对其参数进行编辑,从而可以在进行统计分析时设置偏差。基本的开放模型名称是由内建模型名称加后缀偏差。基本的开放模型名称是由内建模型名称加后缀BREAK构成,在用户不另构成,在用户不另加说明的条件下其参数为内建模型的缺省值。加说明的条件下其参数为内建模型的缺省值。分析功能(分析功能(FUNCTIONFUNCTION):): YmaxYmax: : 运行结果和标称结果最大差值;运行结果和标称结果最大差

49、值; Max(Min)Max(Min):每个波形最大(小)值;每个波形最大(小)值; Fall(Rise)_EDGE: Fall(Rise)_EDGE: 第一次下降(上升)经过第一次下降(上升)经过阈值;阈值;Direction: Hi Direction: Hi (LowLow)向上(下)偏移;打勾选择列出所有参数。向上(下)偏移;打勾选择列出所有参数。 MONTE CARLO NOMINAL * * CURRENT MODEL PARAMETERS FOR DEVICES REFERENCING Cbreak C_C1 C 1.0000E+00 MONTE CARLO PASS 2* *

50、CURRENT MODEL PARAMETERS FOR DEVICES REFERENCING Cbreak C_C1 C 1.0269E+00 MONTE CARLO PASS 3 * CURRENT MODEL PARAMETERS FOR DEVICES REFERENCING Cbreak C_C1 C 1.1402E+00 MONTE CARLO PASS 4* CURRENT MODEL PARAMETERS FOR DEVICES REFERENCING Cbreak C_C1 C 9.5620E-01ERROR - Convergence problem in transie

51、nt analysis at Time = 14.00E-06 MONTE CARLO PASS 5* * CURRENT MODEL PARAMETERS FOR DEVICES REFERENCING Cbreak C_C1 C 9.0409E-01MONTE CARLO SUMMARY *Mean Deviation = -3.3305Sigma = 2.1006 RUN MAX DEVIATION FROM NOMINALPass 3 5.4311 (2.59 sigma) lower at T = 3.0713E-03 ( 89.475% of Nominal)Pass 2 1.23

52、 ( .59 sigma) lower at T = 3.0479E-03 ( 97.616% of Nominal)WC(最坏情况分析)首先它利用灵敏度而不是随机数对于系统参数进行分析,最坏情况分析)首先它利用灵敏度而不是随机数对于系统参数进行分析,以搜索可能的最坏情况。利用其中以搜索可能的最坏情况。利用其中More Selection设置其它值。设置其它值。Save表明选择表明选择记录每次结果。记录每次结果。PROBE打开后出现上述选项窗口,询问需观测那个分析结果,其中,包括额打开后出现上述选项窗口,询问需观测那个分析结果,其中,包括额定工况定工况(MINAL),),最差情况分析最差情况分

53、析(L DEVICES);和灵敏度分析结果。由于新和灵敏度分析结果。由于新版版ORCAD中中WORST采用灵敏度分析的方法,即对每个器件每个误差大小对采用灵敏度分析的方法,即对每个器件每个误差大小对响应的影响分别进行一次分析;然后将上述数据综合确定最差条件并据此进行响应的影响分别进行一次分析;然后将上述数据综合确定最差条件并据此进行分析,所以每次灵敏度分析结果也可显示。分析后根据输出偏移量大小,判断分析,所以每次灵敏度分析结果也可显示。分析后根据输出偏移量大小,判断是否超出规范要求。如超出需考虑缩小误差范围。是否超出规范要求。如超出需考虑缩小误差范围。下页显示利用性能分析确定开关器件上压降受参

54、数变化形成的最大影响。下页显示利用性能分析确定开关器件上压降受参数变化形成的最大影响。 SENSITIVITY SUMMARY*Mean Deviation = -.1121 平均偏差平均偏差 0.112Sigma = 0 %标准差标准差 0, RUN MAX DEVIATION FROM NOMINALCbreak C DEVICES .1121 lower at T = 2.0306E-03 ( 3.1489% change per 1% change in Model Parameter). WORST CASE ALL DEVICES *DEVICE MODEL PARAMETER N

55、EW VALUE C_C1 Cbreak C .855 (Decreased)R_R1 Rbreak R 1 (Unchanged) WORST CASE SUMMARY* RUN MAX DEVIATION FROM NOMINALALL DEVICES 6.8437 higher at T = 2.9990E-03 ( 112.71% of Nominal) %变化量变化量12.7%优化:优化: 优化作为电路设计一个有优化作为电路设计一个有力的工具在力的工具在ORCAD中对其中对其应用进行了简化。设计中首应用进行了简化。设计中首先在原理图中确定计划优化先在原理图中确定计划优化的器件,并通过

56、的器件,并通过PART中中OPTPARAM加以确定,然加以确定,然后后CAPTURE进行仿真。仿真进行仿真。仿真后选择后选择PSPICE中中OPTIMIZER转转到优化视窗。到优化视窗。在优化视窗中包括性能(在优化视窗中包括性能(SPECIFICATIONSPECIFICATION)和参数(和参数(PARAMETERSPARAMETERS)两个窗口,前者两个窗口,前者确定优化目标,后者确定扫描范围。窗口中白底的为优化后的值,另一为起始值。确定优化目标,后者确定扫描范围。窗口中白底的为优化后的值,另一为起始值。其他运行参数,如均方根误差,迭代次数,仿真次数示于左侧。其他运行参数,如均方根误差,迭

57、代次数,仿真次数示于左侧。新软件的主要优点包括:新软件的主要优点包括: 具有模拟具有模拟/数字混合仿真功能,因此可以同时处理模拟和数字混合的电路数字混合仿真功能,因此可以同时处理模拟和数字混合的电路,这是传统的单个仿真器所不能做到的。该软件可以用来进行包括包含,这是传统的单个仿真器所不能做到的。该软件可以用来进行包括包含FPGA在内的数字器件和模拟元件在内的系统设计。此时,可以先做全部设在内的数字器件和模拟元件在内的系统设计。此时,可以先做全部设计的函数仿真,然后选择合适的芯片,并在完成电路布线后,仿真并优化所计的函数仿真,然后选择合适的芯片,并在完成电路布线后,仿真并优化所设计的整个系统的能

58、力;其后如果需要的话,进行相应的印刷电路板的设计设计的整个系统的能力;其后如果需要的话,进行相应的印刷电路板的设计。 数模混合仿真程序:现在提供的仿真模型库包括大量的模拟器件,数字数模混合仿真程序:现在提供的仿真模型库包括大量的模拟器件,数字器件,及传输线、磁芯等模型,充分利用这些仿真模型可以有效地改进设计器件,及传输线、磁芯等模型,充分利用这些仿真模型可以有效地改进设计和降低成本,帮助设计人员可以用更少的时间设计出更好的电路。和降低成本,帮助设计人员可以用更少的时间设计出更好的电路。 该软件的模拟行为仿真模型使用户可以用类似于传递函数框图的方法来该软件的模拟行为仿真模型使用户可以用类似于传递

59、函数框图的方法来对复杂的器件或电路进行时域或频域分析;而其电路基本分析:如直流、交对复杂的器件或电路进行时域或频域分析;而其电路基本分析:如直流、交流和瞬态分析,以及蒙特卡洛,最坏情况流和瞬态分析,以及蒙特卡洛,最坏情况/灵敏度分析等功能,使用户可以从灵敏度分析等功能,使用户可以从不同的角度分析和研究自己的设计,令设计更有创造性。不同的角度分析和研究自己的设计,令设计更有创造性。 该软件允许用户通过使用参数,拉普拉斯函数与状态方程等建立用户自该软件允许用户通过使用参数,拉普拉斯函数与状态方程等建立用户自己的模型。己的模型。但是,由于该软件是为大规模集成电路设计而开发的,其中器件模型主要但是,由

60、于该软件是为大规模集成电路设计而开发的,其中器件模型主要针对信息电子领域的小功率器件而设计,当将其应用推广到电力电子领域时针对信息电子领域的小功率器件而设计,当将其应用推广到电力电子领域时需对模型进行相应的修正。需对模型进行相应的修正。 1.3.2 OrCAD/Pspice在电力电子电路仿真中的局限在电力电子电路仿真中的局限 当将当将OrCAD/Pspice用于电力电子电路仿真时,所面临的主要困难可以简要用于电力电子电路仿真时,所面临的主要困难可以简要归纳如下:归纳如下:(一)器件模型:(一)器件模型: SPICE中器件的建模采用了宏模型法,也称等效电路模中器件的建模采用了宏模型法,也称等效电

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