开关电源的仿真软件用哪个？

概览

网上介绍电力电子仿真软件的文章错误和过时信息较多，本文针对非电网/电力系统互联类的独立电力电子开关变换系统（简称为电源）的仿真，尝试性地归纳介绍。为了能给刚入门的读者一个基础概念，特此指出，如下用词均描述同一被仿真客体，该客体利用电力电子技术进行如下四种功率（电压/电流）变换：

• 电力电子变换器power electronics converter

• 功率变换器power converter

• 开关变换器switchingconverter

• 开关调节器/稳压器switchingregulator

• 开关电源switching mode power supply(SMPS)

针对电源应用，本文介绍的常见、主流仿真软件如下：

名称	公司	官网
Saber	美国 Synopsys	https://saber-solutions.com/saber-rd/ https://www.synopsys.com/verification/virtual-prototyping/saber.html
PSIM	美国 POWERSIM	https://powersimtech.com/products/psim/capabilities-applications/
PLECS	瑞士 Plexim GmbH	https://www.plexim.com/products/plecs
SIMULINK	美国 Mathworks	https://www.mathworks.com/products/simulink.html
SIMetrix /SIMPLIS	英国 SIMetrix 美国 SIMPLIS	https://www.simetrix.co.uk/ https://www.simplistechnologies.com/
PsPice	美国 Cadence	https://www.pspice.com/
LTspice	美国 ADI	https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html

归纳特点如下：

	特点
Saber	支持导入SPICE模型，和强大复杂的器件实际建模能力 复杂分析的运行速度慢 面向实际工程的复杂分析功能十分全面
PSIM	支持开关器件高阶非线性行为模型，和开关器件SPICE模型（内嵌LTspice） 理想模型下，仿真速度较快 Simcoder实现和TI C2000联动，数字控制验证方便
PLECS	纯理想元器件，但支持基于开关时刻电压电流的损耗查表功能，以及基于磁路的磁元件模型，和热等效电路的热分析 仿真速度极快，非常适合原理验证，方案快速分析和数字控制的C代码实现 支持联动TI C2000，也可配合RTBOX实现硬件在环（HIL）半实物仿真
SIMULINK	前期以纯理想器件为主，近期版本支持器件的高阶非线性行为模型 近期版本优化了仿真算法，仿真速度比以前大大加快 适合复杂数字控制，复杂逻辑功能，和高端算法的实现 方便配合MATLAB的其他工具进行复杂的建模和数理分析 建立更复杂的电气电网系统进行模型验证 和外部真实系统的数据交互，联合仿真
SIMetrix /SIMPLIS	支持简单和高阶的非线性行为模型，也支持导入SPICE模型 仿真速度较快 内置大量封装好的，电源IC中常见的底层数模逻辑控制模块，适合IC行为级建模 附带众多专门针对电源应用的器件建模和分析模组
PsPice	支持导入SPICE模型 仿真速度偏慢 适合观察SPICE模型下的真实行为，寄生效应等波形细节 容易和IC供应商提供的SPICE模型形成生态 专门针对电源的分析工具不足
LTspice	支持导入SPICE模型 针对开关变换做了优化，仿真速度较快 适合观察SPICE模型下的真实行为，寄生效应等波形细节 内置LT（ADI）公司大量器件模型 专门针对电源的分析工具不足

限于篇幅，本文只讲每款软件的关键特色。更详细的信息，请参考官网相关资料。

SABER

SABER本身十分高大上，电源的仿真是Saber一个分支的应用领域。

Saber可支持仿真结果，和预先设置的design specifations（输入输出的电压/电流/纹波/效率等）设计目标进行对比。

不同于大家可能过去见得多的老版本，现版的SABER包含两个模块：SaberEXP和SaberRD。

SaberEXP专门针对开关变换器的仿真速度进行优化，在损失最少近似度的情况下做了线性处理（有的也称PWL模型），鲁棒性强，便于收敛，仿真速度快。

SaberRD的功能更加强大且专业，可以在多个域进行设计（包含热 磁 机械 物理等）。对每个器件进一步自定义的特征化，包括导入SPICE模型。更高级的，它支持参数扫描，最恶劣工况分析，可靠性分析（应力和功能安全），并支持并行仿真提高运行速度。如下是上述buck电路输出电压worst-case分析的例子。

利用供应商datasheet提供的数据，我们可以在Saber中完成对每一个组件的详细建模（查表，曲线，公式）和参数自定义。Saber支持对供应商datasheet曲线的自动测绘。

利用SaberEXP和SbaerRD可以完成从理想模型的搭建，到实际工程样机的验证，形成由简入繁的设计闭环。

PSIM

PSIM是专门针对电力电子与电机驱动应用开发的。

在早期，PSIM是以理想元器件，超快的仿真速度和很强的收敛性著称。

但从PSIM 11开始，在快速仿真的基础上，为了提高仿真的真实度并兼容SPICE仿真体系，每一个器件PSIM都同时支持定义为PSIM模型（ideal或带各种参数的level 2非线性模型）或SPICE模型（称为PSIM-SPICE pro）。

并且，PSIM开始支持直接在内部嵌入LTspice进行仿真。

PSIM对于多种代码模块的支持，能用于验证各类数字控制程序。

除此之外，最特色的尚属PSIM的SimCoder模块，拥有实时数字控制的巨大仿真优势。

其内置如TI C2000 MCU的众多子模块，可以直接引入C2000的ePWM/CAN/SPI/SCI/ADC等模块，配合代码，连入电路中进行仿真（Processor in loop）。

同时，PSIM支持利用模块，直接配置C2000控制代码的导出。利用Code Generation模块，我们可以通过配置PSIM C2000模块中的参数，链接CCS软件，生成实际的C2000代码来实现实际的控制。

PLECS

PLECS最早是内嵌在MATLAB-SIMULINK里面的一个组件，为了弥补Simulink对电力电子系统元器件支持的不足，以及对开关变换器仿真算法的不适配导致的低仿真速度而存在的。后来因为其采用全理想元器件模型，简洁高效，速度极快，非常适合验证系统的拓扑原理和控制算法，便独立出来有了standalone的版本。

值得一提的是PLECS虽然是纯理想元器件的仿真工具，但它同样支持损耗和热的仿真。不同于PSIM引入SPICE和开关高阶模型，PLECS为了极致的运行速度，它通过已知（或已被厂家建模）的Eon/Eoff和热参数数据，以look up table的方式建立模型。虽然其效果取决于参数来源的精确度，但不失为一种快速评估系统性能的仿真方式。

另外，类似PSIM，PLECS也有支持TI C2000 MCU的模块（TI C2000 Code Genration），此处不再赘述。

PLECS可以和自家的RT BOX轻易配合，实现硬件在环的电力电子半实物仿真，非常有利于项目的快速验证。

SIMULINK

内嵌在MATLAB中，因此对数模混合电路的复杂模型，复杂处理逻辑，和高级控制算法的建模/验证能力得益于MATLAB。MATLAB针对控制系统，也拥有众多支持自动化分析，自动化优化校正的工具包。

但SIMULINK曾经对Power元器件库的支持是孱弱的，仅限于纯理想器件，由于仿真算法没有对开关电路进行特殊的优化，总体的仿真速度较慢。

近几年来，SIMULINK对电力电子变换电路的支持进行了诸多优化。针对开关元器件，支持自定义其特性曲线从而逼近真实的非线性行为模型，从而可以获得损耗/效率/热学仿真等仿真能力。从这点上说，相当于吸收了PSIM和PLECS的部分优势。

值得一提的是，新版SIMULINK还支持基于SPICE的网表转换功能，在某种程度上支持基于SPICE模型的仿真。

另外，鉴于MATLAB的强大，适合复杂数字控制，复杂逻辑功能，和高端算法的实现，SIMULINK可以配合MATLAB的其他工具进行复杂的建模和数理分析，甚至搭建更复杂的电气、电网系统进行模型验证。

同样地，其对众多真实微处理器的联动（包括TI C2000），和外界真实系统/其他软件的数据交互接口，硬件在环，代码生成/验证/基于模型的设计等，自然是不在话下。此处不进行过多展开。

SIMPLIS

SIMPLIS可以说是专门针对电源仿真的，包括板级和IC行为级电路仿真。

它的出现，弥补了传统SPICE类仿真在面对开关变换器时，出现的种种不足：如仿真速度太慢，收敛性很差，频域环路分析支持性弱（没有专门工具，需要额外脚本和自行搭建模型）。

SIMPLIS采用多段线性化的PWL模型仿真方式，可实现基本类似SPICE类仿真的效果，但是它的速度相比SPICE类仿真快得多。下面给出一个对比：

SIMPLIS非常适合在不失精度的情况下，采用较简单的level 0-level 2非线性模型，实现非常快速的验证。其内置的海量非线性元器件，足够实现非理想系统的细节波形验证，以及损耗/效率分析。同时，如果需要更精准的结果，它同样支持导入SPICE模型进行仿真和分析（可切换到SIMETRIX仿真器）。

SIMPLIS内置大量封装好的，电源IC中常见的底层数模逻辑控制模块，且附带很多专门针对电源应用的建模与分析模组，对环路分析，参数扫描等常用功能做了优化。

另外，如MDM磁性元器件模组，可将最接近真实的磁件模型导入仿真（8.4版本以后），并显示设计结果的波形与损耗等。

对于数字控制，SIMPLIS有大量数字电路的元器件库，也支持配合verilog-A/HDL等代码输入（8.4以后支持C），但未直接支持市面上各种微控制器形成联动，算是数字控制方面的不足。

PsPice

大名鼎鼎的SPICE类仿真软件，绝大多数人接触它应该始于大一的电路理论实验课。但要注意，它并不是专门针对开关变换器开发的，能实现的电路分析功能非常复杂，可以与其他外部组件一起完成系统级仿真。

我们可以通过PsPice很方便地导入SPICE模型，保证仿真结果足够的精准度，但代价也是显著的---慢。

另外，可以看到，由于PsPice并没有开发专门针对电源仿真需求的工具包，因此如环路分析等需要搭建特殊的模块，再借助额外的SPICE指令实现。

对于电源仿真来说，Pspice的最大优势在于，各家IC和半导体供应商大多会直接提供PsPice或者是SPICE模型，可以很方便地直接导入PsPice软件中进行使用和仿真，验证最接近真实系统的细节波形和功能。

这个优势并不局限于电源IC，基于SPICE模型的信号链类的精确仿真，Pspice也巨有无可比拟的优势。

LTspice

起源于LinearTech（后被ADI收购）的SPICE类仿真软件，相比PsPice进行了大量功能简化。由于LT是以电源IC而出名，LTSpice确实也针对开关稳压器的仿真速度进行了改进，较之标准的SPICE仿真器有了大幅度的提高。

因此，LTSpice适合于以仿真开关变换器为主，需要很快的仿真速度，且有导入SPICE模型需求的用户。

另外一个重要价值在于，LTSpice是完全免费的，且内置了LT（ADI）的大量元器件模型。

其他

• 其他常见电子电气类仿真软件，如Intusoft公司的ISspice，NI公司的Multisim，TI公司的TINA，及Hspice，PSCAD，Proteus等，并非针对电源应用开发，或在电源仿真应用中失去主流/没有优势，本文不予介绍。

• 各半导体IC公司推出的如PsPice for TI, ADIsimPE等，脱胎于上述软件，不再单列。

• 各半导体IC公司推出的辅助CAD电源设计工具，如TI的Webench，ADI的LTpowerCAD，英飞凌的PowerEsim，ONsemi的WebDesigner+，MPS的MPSmart，瑞萨的iSim，美信的EE-Sim等，严格意义上并不算专业的仿真软件，本文不予介绍。

审核编辑 ：李倩