SaberRD的穩態分析驗證概述
SaberRD—Stability Analysis
仿真可以大大減少通過測量進行穩態分析的工作量，但由于大多數電路模擬器缺乏在實際電路上進行交流分析的能力，實驗室方法仍然流行。
SaberRD中的穩定性分析，對于了解系統在不同運行條件下的響應是非常重要的。與實驗室測量相比，模擬能夠更早地進行穩定性分析(減少時間和成本，仿真方法的靈活性)。一個系統可以是非線性的也可以是線性的，根據系統類型的不同，有周期交流分析、交流分析和零極分析等是在SaberRD中可以使用波德圖（Bode plot）和極點-零圖（Pole-Zero plot）驗證系統的穩定性。
01
SMPS設計
頻率分析
- 所面臨的挑戰
- 解決方案
- 平均模型 → 交流分析
- 周期交流分析（Periodic AC Analysis）
(線性)交流分析
- 頻率響應是通過在單個偏置點附近線性化電路來確定的
- 該系統在頻域進行解析求解
- 快速執行
- 同時計算所有信號
- 缺點：僅限于線性和平均模型設計
- 仿真分析
- 開關電源具有周期性的工作點，但無偏置點。
- 由于系統方程在工作點附近的線性化，交流分析不能計算切換系統的頻率響應。
平均模型
- 仿真分析：應用平均建模技術對時間連續方程轉換模型進行描述
周期性交流分析（PAC分析）
- 通過對電路在小幅度正弦擾動下的時域仿真，得到了電路的頻率響應
- 利用時域結果的傅里葉積分提取感興趣信號的振幅和相位
- 也適用于非線性周期設計
- 不需要平均模型
- 缺點：限制選擇的輸出信號
- 仿真分析
- 保持原來的開關模式設計
- 選擇小幅度擾動信號ac_mag(線性分析理論)
- 運行周期性交流分析；利用時域結果，通過傅里葉分析計算頻率響應
02
PAC仿真分析
PAC分析
PAC分析內部算法
- 時域分析達到穩態
- 在穩態下注入擾動干擾
- 傅里葉計算
- 生成直方圖
- 得到計算的波德圖
PAC分析仿真設置
設置界面
- 輸入源：選擇用于交流擾動的通用源
- 輸出信號：選擇感興趣的輸出信號
- 開始頻率：指定分析的開始頻率
- 結束頻率：指定分析的結束頻率
- 輸入源：PAC源連接在注入擾動的節點上
- 輸出信號：需要頻率響應的信號
- 開始和結束：頻率需要響應的頻率
- 點數：分析中使用的頻率點的數目
- 延遲：直到系統達到穩態的時間或將-trip賦值為0
多頻擾動：
- 僅從一次瞬態分析得到的頻率響應，它疊加了所有擾動頻率應用
- 適用至開關頻率(奈奎斯特頻率)的一半
- 無差錯控制
- 比單頻擾動快
- 參數含義：
- Ramp：多正弦擾動包絡線從0上升到其最終值的時間間隔(秒)
- Settle：在多正弦斜坡結束和傅里葉分析開始之間的時間推移(秒)。這種時間的流逝允許在注入擾動后達到穩態。
- Acquire：執行FFT的周期1/fbegin的整數。大于默認值可用于過濾噪聲
- Baseline：指定是否在沒有多音擾動的情況下執行額外的瞬態分析
- Frequency-based：應用于單個正弦擾動作為頻率的函數(例如，-freqscale freq1 scale1 freq2 scale2…)
- 噪聲濾波器尺寸：用于減少波德圖抖動的窗口平均濾波器的階數。平均窗口的寬度是過濾器值的兩倍
- Crest：對多正弦諧波分量的相位進行實數隨機化，以減小波峰因子對大信號穩態的影響
單頻擾動
- 從許多瞬態分析得到的頻率響應
- 工作頻率高于奈奎斯特頻率(開關頻率的一半和倍數除外)
- 誤差控制
- 并行化可以提高性能多核網格/云計算
- 高效使用運行時附加組件產品
- 錯誤：傅立葉級數系數的收斂精度(減小-pac誤差提高精度)
- 最低周期：每個頻率點運行的最小周期數
- 最大時間間隔：傅立葉級數系數收斂的最大時間間隔
- 優化頻率源幅值：為最佳信噪比而優化的頻率
注意事項：
- 周期交流分析依賴于瞬態分析；建議“周期交流分析”中的TR設置與“瞬態分析”中的相同
- 周期性AC分析只能識別通用源
- 只支持一個交流電源．
- 頻率增量限制為日志步長
- 過濾減少了博德圖上的點的數量
- 擾動只應在設計處于穩態時啟動
- 擾動的振幅是一種權衡，大到足以高于模擬噪聲下限，小到足以避免擾動穩態操作(飽和效應)
03
PAC實現穩態分析
SPMS設計
穩定性分析開關模式電源設計一個閉環電源的工作流程設計：
- 1.在閉環路徑中增加擾動源
- 2.運行定期AC分析
- 3.計算總體開環傳遞函數
- 4.應用穩定性測量
穩定性測量準則
- 增益交叉頻率：
- 頻率在增益=0dB時下降
- 應該小于開關頻率的一半
- 相位差
- 相位差在增益=0dB和-180°之間
- 最好在45°-60°之間
設計設置
- 3型補償器用于電壓控制
- 多正弦擾動源連接在節點vout和vfb之間
- 攝動幅度:1mv
- 整體開環傳遞函數：
TF=Vout/Vfb
仿真設置
- 擾動來源:輸入源:v.v_pac
- 感興趣的信號輸出信號:vout和vfb
- 啟動頻率:100hz
- 結束頻率:99.9 kHz (100 kHz)
- 指定頻率范圍：100點
- 穩態時間延遲:40毫秒
- 校準的瞬態分析設置：時間步長:1n；截斷誤差:0.0005
仿真結果
應用穩定性分析
- 增益交叉頻率：5233.3（小于開關電源頻率的一半）
- 相位差：51.259°（不超過180°）
04
總結
Saber穩態分析的優勢
- Saber提供PAC分析：一個強大的解決方案，以測試開關電源設計的系統穩定性
- 減少實驗室的構建和測試
- 盡早發現問題靈活性，更容易假設降低成本縮短設計周期，減少平均建模工作量
- 降低成本
- 加快完成時間
- 提高品質
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