电路仿真工具（Circuit Simulation）

读完本页后，你应该能够：

• 从仿真任务（瞬态波形 / 稳态 Bode / 控制算法 / 热-电协同）倒推该用哪个工具。
• 在 LTspice 里熟练使用 .tran、.ac、.step、.meas 完成参数扫描和自动测量。
• 解释 SIMPLIS 的"分段线性直接求稳态"为什么比 SPICE 快 10～50×。
• 解释 PSIM 的"理想开关"为什么让功率仿真快 100×，以及代价是什么。
• 区分 SPICE MOSFET Level 1 / Level 3 / BSIM / 厂商行为模型的适用范围。
• 诊断 SPICE 仿真常见的不收敛问题（步长、数值方法、初始条件）。
• 用 PyLTspice 做 Monte Carlo 或参数优化仿真，实现设计自动化。

电路仿真4 种任务对应不同工具——SPICE 详细瞬态(LTspice)、状态空间(SIMPLIS)、混合电气热(PSIM)、有限元(Ansys)。每种工具的速度精度权衡不同,选错工具仿真效率差 10×。

仿真任务大致分为四类，每类都有最适合的工具。

SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) 是 1973 年 UC Berkeley 开发的模拟电路仿真器。所有现代 SPICE 衍生品（LTspice、PSpice、HSpice、SIMetrix、NGspice）都基于同一套数值方法。

SPICE 的工作原理

基于节点分析 (Modified Nodal Analysis, MNA)，在时域内逐步数值积分：

Step 1: 建立电路的 KCL/KVL 方程组 (矩阵 A·x = b)
Step 2: 牛顿-拉普森迭代求解非线性器件
Step 3: 时间步进 (梯形法 / Gear 法) 推进到下一时刻
Step 4: 重复 Step 2~3，直到仿真时间结束

每个时间步需要迭代收敛——这是 SPICE 精度的来源，也是慢的原因。

SPICE 的收敛陷阱

SPICE 仿真经常不收敛——尤其是电路里有高 Q 值谐振、快速开关或强非线性时。常见错误信息：

• "timestep too small"：时间步被自动减小到最小限制
• "iteration limit reached"：牛顿迭代在一步里不收敛
• "singular matrix"：KCL 方程组奇异（电路连接错误）

调试方法：

1 放宽收敛参数：

.options RELTOL=0.01  (默认 0.001)
.options ABSTOL=1u    (默认 1p)
.options VNTOL=0.1m   (默认 1u)

放宽 10× 可以解决大部分收敛问题，代价是精度略降。

2 增加阻尼：在高 Q 回路加小电阻（1 mΩ ～ 1 Ω）模拟实际寄生。

3 改变积分方法：

.options METHOD=GEAR (默认 TRAP) Gear 法对高 Q 回路更稳定，但有"数值阻尼"导致精度略降。

4 设置合理的初始条件：

.ic V(node)=5 (强制某节点初始电压) 避开启动瞬态的困难时刻。

5 使用"软启动"源：

$V_{in}in0PULSE(01201u);1\mu s内从0升到12V$ 而不是阶跃源（上升时间为 0）。

LTspice——免费的事实标准

LTspice 由 Linear Technology（已被 ADI 收购）开发，完全免费，但功能丰富：

• 快速求解器（比 PSpice 快 2～3×）
• 完整的 ADI / Linear 器件库（大量精密运放、LDO、Buck 控制器）
• 集成波形查看器，支持表达式计算
• 参数扫描 + 自动测量
• Python 接口（PyLTspice）支持自动化

对功率工程师来说，LTspice 几乎是默认选择。

LTspice 核心命令

LTspice 几个核心命令覆盖 90% 仿真场景——.tran(瞬态)、.ac(频域)、.dc(直流)、.noise(噪声)、.step(参数扫描)、.meas(测量提取)。这 6 个命令组合可完成绝大多数功率仿真。

.step + .meas 示例

目标：扫描 Buck 的栅极电阻 $R_G$，对比开关损耗和效率。

- 定义参数
.param Rg = 10

- 在电路中使用
R_gate gate_drv gate {Rg}

- 参数扫描
.step param Rg list 5 10 22 47

- 自动测量效率
.meas TRAN Pin AVG -V(vin)*I(Vin) FROM 90u TO 100u
.meas TRAN Pout AVG V(vout)*I(Rload) FROM 90u TO 100u
.meas TRAN Eff param (100*Pout/Pin)

- 自动测量开关损耗
.meas TRAN Esw_on INTEG V(sw_node)*I(M1_drain) FROM 91u TO 91.5u

一次运行得到 4 组结果，可视化对比选择最佳 $R_G$。

PyLTspice——自动化仿真

PyLTspice 是 LTspice 的 Python 接口，可以：

• 批量修改网表并运行仿真
• 直接读取 .raw 波形文件
• 做 Monte Carlo 或参数优化

示例（批量测不同 Q 因子的滤波器响应）：

from PyLTSpice import SimRunner, SpiceEditor

LTC = SimRunner(output_folder='./temp')
netlist = SpiceEditor("filter.asc")

for Q in [0.5, 0.707, 1.0, 2.0]:
    netlist.set_component_value('R1', str(1000/Q))
    LTC.run(netlist)

LTC.wait_completion()

这种自动化对大规模设计空间探索或Monte Carlo 良率分析非常有用。

本质一句话：LTspice 是免费 + 快速 + 库丰富的组合，是功率工程师的"瑞士军刀"；.step + .meas + PyLTspice 构成完整自动化仿真体系。

SIMPLIS (SIMulation for Piecewise-LInear Systems) 是 SIMetrix 软件里的专用引擎，专为开关电路设计。它不是 SPICE——用的是完全不同的数值方法。

SIMPLIS 的分段线性方法

SIMPLIS 把电路看作分段线性 (Piecewise-Linear) 系统：

• 每个开关器件被建模为两个线性状态（ON 和 OFF）
• 电容和电感是真实的动态元件
• 在每个拓扑状态（一组开关组合）下，电路是线性的
• SIMPLIS 在每个线性段内解析求解，不需要数值积分

关键优势：

• 直接求解周期稳态 (Periodic Operating Point, POP)——不需要等几十个开关周期
• 比 SPICE 快 10～50×（对开关电源仿真）
• 自动 AC 分析：注入小信号扰动 + 测量响应 → 自动输出 Bode 图
• 比 SPICE 更容易收敛（分段线性减少了非线性迭代）

SIMPLIS vs SPICE 的根本差异

SIMPLIS 与 SPICE 核心差异是分段线性 vs 全 SPICE——SIMPLIS 把开关器件简化为分段线性,仿真速度比 SPICE 快 10-100×,但精度损失。适用场景:闭环稳态分析、IC 控制器设计。

SIMPLIS 的典型用途

主要用于开关电源设计的稳态和环路分析**：

• 补偿器设计：自动 Bode 图，快速迭代零点极点
• 稳态分析：输出纹波、效率、应力
• 环路增益测量：注入扰动，直接输出 T(s)
• 大信号瞬态：负载阶跃响应、启动过程

不适合：

• 详细器件波形（看不到寄生振铃、dv/dt）
• EMI 预估（需要高频细节）
• 非开关电路（SIMPLIS 对普通模拟电路不优势）

一个示例：PCM Buck 的 Bode 图

在 SPICE 中：

• 建平均模型（State-Space Average）—— 需要理论推导
• 或者直接用开关电路运行 AC 分析（SPICE 的 AC 分析对开关电路基本无效）
• 结果：几小时 + 大量 debug

在 SIMPLIS 中：

Step 1: 用原理图搭真实的 PCM Buck (含 MOSFET、PWM 比较器、电感、电容)
Step 2: 运行 POP (Periodic Operating Point) 分析 → 得到稳态
Step 3: 运行 AC 分析 → 自动注入扰动 → 自动输出 Bode 图
Step 4: 调整补偿器参数，重复 Step 3

5 分钟出第一版 Bode 图。这是 SIMPLIS 对开关电源设计的革命性价值。

本质一句话：SIMPLIS 用分段线性绕过 SPICE 的数值积分，直接求周期稳态，是开关电源环路设计的事实标准——但你必须接受"看不到详细振铃"的代价。

PSIM（Powersim 开发）是另一个专用仿真器，不属于 SPICE 家族。它的设计哲学更激进：用理想开关代替真实器件模型，换取极致的仿真速度。

PSIM 的理想开关

理想开关模型：

• ON 状态：$V_{DS}$ = 0，I 任意（零电阻）
• OFF 状态：I = 0，V 任意（无穷电阻）
• 切换瞬间：瞬时完成（无上升下降时间）

这个模型显然不符合物理——但对大多数系统级分析已经足够。你不关心具体的 dv/dt，你关心的是平均占空比、输出电流、效率、控制器行为。

结果：PSIM 比 SPICE 快 10～100×，同时收敛性好得多。

PSIM 的核心模块

PSIM 专攻"功率电子 + 电机控制"——理想开关 + 电机模型 + 控制框图。设计周期短但精度损失。适合项目早期拓扑选型,不适合后期 EMC/损耗仿真。

• Ideal Switch：理想开关
• C Block：直接用 C 语言写控制器，编译后嵌入仿真
• SimCoupler：与 MATLAB/Simulink 联合仿真
• Motor Drive Module：PMSM/BLDC 电机模型、Hall/Resolver 传感器
• Thermal Module：导入厂商 $Z_{th}$ 模型，计算实时结温
• Renewable Energy Module：光伏 / 风力模型

C Block——关键杀手级特性

在 PSIM 里用 C 语言直接写控制器代码：

// 简单的 PI 控制器
static double err_integral = 0;

double PI_Control(double v_out, double v_ref) {
    double err = v_ref - v_out;
    err_integral += err * T_s;
    return KP * err + KI * err_integral;
}

这段代码同时：

• 在 PSIM 仿真里运行（验证算法）
• 直接编译到嵌入式目标（MCU / DSP）

这是 PSIM 最大的价值——仿真代码 = 量产代码，避免"仿真看起来对但实际板子跑不动"的痛苦。

PSIM vs SPICE：一个 LLC 仿真对比

LLC 谐振变换器稳态仿真：

• SPICE：LLC 的 Q 值高，需要几十个开关周期才能达到稳态；收敛慢；可能 30 分钟 才出一次结果
• PSIM 理想开关：同样精度的稳态，30 秒
• 差距：100×

代价：PSIM 看不到 SiC MOSFET 的真实振铃和 EMI 细节。如果你需要评估 EMI，必须用 LTspice 详细仿真补充。

实务：PSIM 做系统设计（拓扑、控制、效率），LTspice 做器件级细节（开关波形、EMI、损耗）。两者互补。

本质一句话：PSIM 用理想开关换速度，用 C Block 换 "仿真 = 代码" 的一致性；是系统级功率电子设计的主流工具。

仿真精度极度依赖器件模型的精度。用错误的模型会让你得到错误但有说服力的结果——比不仿真还危险。

模型家族

SPICE 模型家族多个版本针对不同场景——SPICE Level 1-3 教学、BSIM4 数字 IC、PSP 模拟、HiSIM-HV 高压、EKV 模拟设计。功率器件多用厂商专用 SPICE 模型。

为什么 BSIM 不适合功率 MOSFET

BSIM 设计目标是数字 IC 的低压 MOSFET——缺失功率器件关键特性(雪崩、SOA、高场迁移率退化)。所以仿真功率开关用 BSIM 失真大,必须用功率专用模型。

BSIM 家族是为 CMOS IC 设计的——对亚微米沟道和小信号工作区优化，但缺少功率 MOSFET 的关键物理特性（见上表）。用 BSIM 仿真功率电路的典型后果：

• 仿真效率 97%，实际 93%
• 仿真 dv/dt 10 kV/μs，实际 30 kV/μs
• 仿真开关损耗 5 W，实际 15 W

散热设计按仿真值选型 → 实际运行过热炸管。这种错误极其常见。

厂商行为模型——功率电子的救星

所有主流功率半导体厂商（Infineon、Wolfspeed、Rohm、STMicroelectronics、onsemi）都提供子电路级行为模型（Behavioral Model）：

子电路模型的构成：

.SUBCKT IPW60R040C7 D G S
  * 核心 MOSFET
  M_core D_int G_int S_int S_int nmos_simple L=1u W=100
  
  * 漂移区 (JFET) 电阻
  R_drift D D_int 0.04  
  
  * 非线性 C_gd (电压依赖电容)
  C_gd D G TABLE(V(D,G)={0 5n}, ..., {600 0.05n})
  
  * 非线性 C_oss (近似)
  C_ds D S TABLE(V(D,S)={0 20n}, ..., {600 0.1n})
  
  * 体二极管 + Q_rr
  D_body S D DIODE_MODEL
  ...
  
  * 温度相关性
  .temp ...
.ENDS

这些模型包含了所有 BSIM 缺失的物理，是从真实器件的 S 参数 / C-V / I-V 测量拟合出来的，精度远超通用模型。

实务：如何获取和使用

步骤：

• 在厂商官网找 "SPICE Model" 或 "Simulation Model"
• 下载 .lib 或 .mod 文件
• 在 LTspice 中 include：

.inc IPW60R040C7.lib

- 在电路中实例化
XM1 drain gate source IPW60R040C7

关键：子电路模型通常包含 .SUBCKT 名称（如 IPW60R040C7），在原理图里要用 X 前缀（表示子电路）而不是 M 前缀。

简化 vs 完整模型的选择

仿真模型不是越精细越好——简化模型快但失真,完整模型准但慢。实务原则:概念阶段用简化模型,设计冻结前用完整模型验证。

• 设计验证 / 拓扑选择：用简化理想开关（SPICE 的 S 开关，或 PSIM） —— 快
• 详细波形 / 损耗评估：用厂商行为模型 —— 精度最高
• 教学 / 理解原理：用 Level 1 —— 简单直观

反面教材：用 Level 1 仿真 SiC MOSFET 的开关损耗 → 得到的结果和实际差 3～5×。

本质一句话：功率 MOSFET 仿真必须用厂商行为模型——BSIM 和 Level 1～3 都不适用；去厂商官网下载模型是标准流程。

MATLAB/Simulink 不是电路仿真器——它是系统级建模工具。用于：

• 控制算法设计（PID、LQR、MPC、Kalman 滤波）
• 系统建模（状态空间、传递函数）
• 自动代码生成（Simulink Coder → C 代码）
• HIL 仿真（Hardware-in-the-Loop）

典型流程：EV 电机控制器开发

EV 电机控制器仿真按 4 阶段递进——概念(PSIM 简化)、详细(SPICE)、闭环(SIMPLIS)、整机(MATLAB Simulink)。每段用合适工具,工时分布大致均等。

Step 1: Simulink 建立完整模型
        ├── 功率变换器（用 Simscape 或 PSIM 共仿真）
        ├── PMSM 电机模型
        ├── FOC 控制器（Clarke / Park / PI 电流环 / 速度环）
        └── SVPWM 调制

Step 2: 调试控制算法
        ├── 调 PI 参数
        ├── 验证带宽和稳定性
        └── 验证启动、制动、弱磁等工况

Step 3: 自动代码生成
        Simulink Coder → C 代码 → 嵌入 MCU

Step 4: HIL 测试
        真实 MCU + Simulink 模拟的"虚拟硬件" 在实时仿真器上运行
        → 验证代码在真实硬件上的行为

Step 5: 量产
        同一套代码 + 真实功率硬件

Simulink 的价值：算法开发、仿真验证、代码生成都在同一个环境里——从模型到量产代码无缝过渡。

实际使用：EV 主驱 ECU 的控制软件绝大多数用 Simulink 开发（特斯拉、比亚迪、通用等）。

Simulink 和 PSIM 的联合仿真

SimCoupler（PSIM 的接口模块）允许：

• PSIM 做功率变换器（快速收敛、高精度）
• Simulink 做控制算法（调参方便、可视化好）
• 两者实时数据交换

优点：利用两个工具各自的优势。缺点：设置稍复杂，需要理解数据交换时序。

本质一句话：Simulink 做系统级控制设计和代码生成，与 PSIM 或 Simscape 配合做完整仿真；它不是电路仿真器，不要和 SPICE 比较器件级精度。

Modelica 是一个多物理域建模语言，不是工具——用 Modelica 建模然后在 Dymola、OpenModelica、JModelica 等工具中仿真。

Modelica 的独特价值

多物理域方程系统：

• 电路（电压、电流）
• 热学（温度、热流）
• 机械（位置、力）
• 液压、气动等

同时耦合求解。对于热-电耦合（MOSFET 结温随损耗动态变化）、电-机耦合（电机温升影响转矩）等问题，Modelica 有独特优势。

使用场景

PLECS 强项是电-热协同 + 自由绑定 MATLAB——既能仿电气也能联仿热,与 SimulationX 一脉相承。典型用在:EV 主驱热设计验证、整机损耗预算。

• 电-热协同仿真：比 PSIM 热模块更灵活
• 整车级仿真：电池 + 电机 + 变换器 + 冷却系统
• 系统级优化：设计参数对整体性能的影响

劣势：学习曲线陡、生态不如 SPICE/Simulink 成熟。除非有特定多物理场需求，优先用 PSIM 或 Simulink。

器件/波形级任务

电源/系统级任务

控制/HIL 任务

成本：LTspice 免费；Modelica 有开源版；SIMPLIS / PSIM / Simulink 均为商业。

仿真5 个常见陷阱——收敛失败、时长过长、模型过精/过糙、初始条件错、数值噪声。多数来自"工具理解不够",不是工具本身缺陷。

• 没有全能仿真工具。SPICE 看细节，SIMPLIS 做环路，PSIM 做系统，Simulink 做控制，Modelica 做多物理场。
• SPICE 精度最高但最慢——收敛困难时放宽 RELTOL 或换 Gear 法，加阻尼。
• LTspice 是免费 + 快速 + 库丰富的组合，是功率工程师首选；.step + .meas + PyLTspice 构成完整自动化。
• SIMPLIS 用分段线性直接求稳态，比 SPICE 快 10～50×；是开关电源环路分析的事实标准。
• PSIM 用理想开关比 SPICE 快 100×；C Block 让仿真代码 = 量产代码，是系统级功率电子首选。
• MATLAB/Simulink 做系统级控制，不是电路仿真器；自动代码生成 + HIL 是 EV 主驱 ECU 开发的标准流程。
• SPICE MOSFET 模型层次：BSIM 为 IC 设计，不适合功率器件；必须用厂商行为模型——所有主流厂商都提供。
• 用错模型比不仿真更危险：Level 1 仿 SiC MOSFET 的开关损耗误差 3～5×，按仿真选散热会炸管。
• 仿真策略：PSIM 做系统设计，LTspice 补做器件级细节，两者互补。

SPICE / LTspice

• LTspice Help XVII（官方文档）
• Essential Circuit Analysis using LTspice
• CMOS Integrated Circuit Simulation with LTspice
• PyLTspice 文档（Python 接口）

SPICE 基础

• The SPICE Book（Vladimirescu）
• SPICE for Power Electronics and Electric Power（Rashid）
• Switch-Mode Power Supply Simulation: Designing with SPICE 3

PSIM

• PSIM User Manual
• Power Electronics Circuit Analysis with PSIM

SIMetrix / SIMPLIS

• SIMetrix User Manual
• SIMPLIS Reference

PSpice / OrCAD

• PSpice for Circuit Theory and Electronic Devices
• Analog Design and Simulation Using OrCAD Capture and PSpice

MOSFET 建模

• Introduction to SPICE Source Files
• SPICE MOSFET Model Intro 系列
• ST — UM1575: SPICE Model Tutorial for Power MOSFETs

多物理场

• Modelica Tutorial
• VHDL-AMS Tutorial
• Verilog-A 参考

• ← 索引
• MOSFET 技术 — 功率 MOSFET 的物理参数和开关过程
• SiC 器件（Silicon Carbide Devices） — SiC 模型的特殊性
• 半导体器件物理 — SPICE 模型的物理基础
• 功率电子学（Power Electronics） — 拓扑和控制仿真需求
• 电源设计（Power Supply） — 补偿器设计用 SIMPLIS
• 运算放大器与模拟设计 — 运放电路用 LTspice
• 热管理（Thermal Management） — PSIM 热模块和 Modelica 热-电协同
• ADC 与混合信号设计
• FPGA 与数字设计