原创 《电源芯片建模与应用》+心得体验

本书作者，2017年毕业于苏州大学光电科学与技术学院，毕业后就职于德州仪器半导体技术有限公司(TI),从事电源芯片的系统、应用与市场方面的工作。现工作于北京奕斯伟计算技术有限公司，主要从事车载电源芯片相关工作。在电源设计方面具有丰富理论和实践经验。因此，本书总结作者过往的学习和工作经验，梳理了芯片建模中的常用知识点，并举例说明如何进行实际建模。

首先书中介绍SIMPLIS这款软件。例如什么是SIMPLIS，SPMLIS是款什么仿真器，以及SPMLIS建模依据PWL的概念。

l  什么是SIMPLIS

SIMPLIS（SIMulation of Piecewise Linear System,分段线性仿真系统）是一个电路真器，专门设计来应对开关电源系统的仿真挑战。与SPICE类仿真软件一样，SIMPLIS工作在元器件级别，但仿真开关电路的瞬态工作时通常可以比SPICE软件速度快10~50倍。对于开关电源系统，与SPICE相比，SIMPLIS采用的PWL(Piecewise Linear,分段线性)建模和仿真技术在定性上具有更好的收敛性能。

SIMPLIS通过使用一系列PWL直线段对器件建模，而不是使用SPICE技术中的指数表达式等方法来解决非线性问题。通过以这种方式对器件建模，SIMPLIS可以将一个完整的非线性系统描述为一个个分段线性电路拓扑的循环序列。这种方法精确产生了一个典型的开关电源系统，其中半导体器件充当高频开关。

然而，在精度表现相当的前提下，PWL系统对非线性方程组比SPICE处理可以更快地求解。最终可以非常快速地得到一个精确的仿真结果，并且可以对用SPICE软件无法实现的复杂拓扑进行建模。

SIMetrix/SIMPLIS是闭环开关电源设计中使用最广泛的仿真工具，主要是因为SIMPLIS基于其以下能力使大型和复杂系统的分析在现实生活设计中具有实用性。

Ø  快速找到稳态周期工作点。

Ø  对全非线性时域开关电路进行交流分析。

Ø  执行时域瞬态分析比SPICE快10~50倍。

Ø  表现出优越的收敛行为。

l  SIMPLIS是时域仿真器

SIMPLIS的操作是基于时域处理的，就像我们在实验室里测量工作的电路一样。但是我们经常在各种技术资料中看到电路的时域或频域的分析方法和术语，例如直流工作点、交流模型、平均模型等。但实际上实验室的电力电子系统并没有这些概念，这些都是研究学者为了便于借助数学工具处理而提出来的概念。一个最广泛的概念就是所谓的电路平均交流模型，它通常被用来分析电路的交流响应。但事实上它在现实中并不存在。

设计SIMPLIS是为了模拟电力电子系统的实际时域行为。实际电路中只存在时域，而不存在频域。SIMPLIS一直在对非线性切换的时域行为建模。然而，就像在实验室中一样，稳态的时域切换系统可以在时域中测量，并在频域中绘制结果。在实验室中，可以使用网络分析仪或波特图分析设备来扰动时域电路，然后用傅里叶分析并处理时域数据，最后查看其频率扫描的结果。这是在实验室的实际硬件上进行频域描述的方式，尽管一些稳态时域行为可以在频域中有效地绘制出来，但它总是在时域中工作。SIMPLIS所有的交流分析都是这样在一个单一的时域电路中进行的，它不需要提前推导出平均模型，而且在很多平均模型的推导过程中做了很多假设和理想化，且只针对有限的电路推导出了平均模型。

PWL基本概念

在SIMPLIS中，所有非线性器件特性都是使用一系列PWL（Piecewise Linear,分段线性）来建模的。因此，针对此类器件的SIMPLIS行为模型不同于相应的SPICE模型，后者通常寻求将器件物理特性映射到器件特征参数上。因为整个SIMPLIS系统是由PWL器件模型组成的，所以SIMPLIS求解的系统方程集也是分段线性的。虽然这个方程组的拓扑结构和值随时都可能发生根本的变化，但SIMPLIS在每一步都在解一个线性方程组。其结果是，与SPICE方法相比，SIMPLIS可以更快、更准确地对其系统方程组求解。SIMPLIS解决PWL系统方程中每个变化的速度和精度都是SIMPLIS能够有效应对电力电子系统仿真挑战的关键原因。

SIMPLIS基于PWL建模，该建模使用一系列分段线性直线段逼近非线性器件的特性。虽然更多的PWL直线段可以获得更高的精度，但更多的PWL段也会导致更长的仿真时间。PWL建模的目标是消耗最少的CPU时间，同时达到所需的精度级别。SIMPLIS鼓励使用者只为了达到所需精度才去添加每个器件模型所需的复杂度。

l  PWL基本概念

在SIMPLIS中，所有非线性器件特性都是使用一系列PWL（Piecewise Linear,分段线性）来建模的。因此，针对此类器件的SIMPLIS行为模型不同于相应的SPICE模型，后者通常寻求将器件物理特性映射到器件特征参数上。因为整个SIMPLIS系统是由PWL器件模型组成的，所以SIMPLIS求解的系统方程集也是分段线性的。虽然这个方程组的拓扑结构和值随时都可能发生根本的变化，但SIMPLIS在每一步都在解一个线性方程组。其结果是，与SPICE方法相比，SIMPLIS可以更快、更准确地对其系统方程组求解。SIMPLIS解决PWL系统方程中每个变化的速度和精度都是SIMPLIS能够有效应对电力电子系统仿真挑战的关键原因。

SIMPLIS基于PWL建模，该建模使用一系列分段线性直线段逼近非线性器件的特性。虽然更多的PWL直线段可以获得更高的精度，但更多的PWL段也会导致更长的仿真时间。PWL建模的目标是消耗最少的CPU时间，同时达到所需的精度级别。SIMPLIS鼓励使用者只为了达到所需精度才去添加每个器件模型所需的复杂度。

本书内容共8章，下面一一简要介绍。

第1章简要介绍电源系统和芯片建模；目的在于为大家梳理芯片建模这一基本概念，包括电源系统是什么、为什么建模和怎么做。本章首先介绍了电源系统与典型电源系统组成部分，接着介绍了电源芯片设计过程和建模的作用，最后介绍了芯片建模涉及的基础知识点和技巧。

第2章介绍芯片建模软件SIMPLIS的基本功能和使用方法；本章以一个降压稳压器为例介绍了使用SIMPLIS搭建仿真电路的方法，介绍了如何找到合适的元器件，绘制原理图，配置仿真模式和绘制仿真波形等。本章是芯片或电路建模的基础，熟练掌握一种仿真软件的使用有助于理解电路运行原理和尝试构建新的拓扑结构和控制方法等。

第3章介绍芯片建模中常用的元器件和基本模块；本章介绍了在SIMPLIS软件仿真建模中常用的元器件与模块，包括无源器件与有源器件。了解这些基本元器件的特点、参数与应用方法非常有助于快速搭建准确的电路模型，是后续建模学习的基础知识。

第4章介绍电源电路环路分析和补偿器原理、分析和设计；本章首先从环路的基本概念触发解释了环路相关的基本概念，接着从功率级传递函数分析，K因子补偿器设计到基于OPA、OTA、基准加光耦以及隔离运放的补偿器设计构建了完整的知识体系与脉络，并结合实例清晰地将复杂数学关系式落地到具体的仿真电路。

第5章介绍降压稳压器的分类、工作原理、控制策略、关键参数和芯片建模实例；本章首先对降压稳压器做了简单的介绍，包括电路结构、基本工作原理与控制模式，接着选取了一个主流的降压稳压器芯片作为例子对其建模，详细闸述了建模的思路、方法和技巧。通过本章的学习，应该初步了解构建一个比较完整的芯片的建模过程与方法，后面的任务就是扩展学习广度和深度，了解其他拓扑结构的电源芯片工作原理与控制策略，掌握更多的知识点。

第6章介绍升压稳压器的分类、工作原理、控制策略、关键参数和芯片建模实例；本章首先对升压稳压器做了简单的介绍，包括分类、基本工作原理与控制模式，接着取了一个主流的升压稳压器芯片作为例子对其建模，详细阐述了建模的思路、方法和技巧。对于此种非恒定频率（变频）控制策略，了解其模块结构与产生开关的控制策略对于一些需要快速响应的应用场景非常有帮助。

第7章介绍功率因数控制器的分类、工作原理、控制策略、关键参数和芯片建模实例；本章全面介绍了PFC的基本概念，论述了PF和 THD的定义和意义，还介绍了PFC控制器的拓扑结构与控制方法分类，重点介绍了广泛引用的经典升压拓扑结构和电流控制方法。最后以LT6562A为例，详细介绍了其工作原理与各个模块的建模方法，仿真结果也验证了建模的思路和方法。利用本章介绍的知识与方法可以较为快速地理解其他结构和控制方法的PFC控制器。

第8章介绍反激控制器的分类、工作原理、控制策略、关键参数和芯片建模实例。本章介绍了业界应用比较广泛的准谐振反激转换器工作原理，适合于中小功率应用。以一款比较经典的准谐振控制器——NCP1380为例，介绍其原理与参数设计并对其内各个模块进行原理分析与建模，最后从应用角度分析如何设计外围元器件参数，并以模型验证了原理与工作表现。

总之本书在电源芯片建模与应用内容系统、全面，理论和实践操作内容丰富，讲解图文并茂，可供从事电源芯片仿真与设计的工程技术人员参考，也可供电子信息类、自动化控制、电路与系统等相关专业的同学参考。

上文为本人初读心得总结，由于属于初学者，水平相当有限，存在不足或错误之处，敬请广大网友批评指正，望不吝赐教。