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1092 SIMPLIS教學_20210218.pdf

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1092 SIMPLIS教學_20210218.pdf

  1. 1. by 助教戰 1
  2. 2. ▪ 新增檔案 ▪ 切換至SIMPLIS ▪ 繪製電路圖 ▪ 放置常見元件 ▪ 元件設定 ▪ 範例 ▪ 模擬設定與探棒量測 ▪ 固定探棒設置 ▪ 暫態量測 Transient ▪ 臨時探棒 2 ▪ 波型整理 ▪ 常見操作 ▪ Cursor ▪ Measure ▪ 波型範例 ▪ 補充: ▪ 波德圖量測 ▪ 常見問題
  3. 3. ▪ 2021/02/10: 修改原版由張嘉洲製作的講義 李承戰 ▪ 2021/02/18: 新增補充資料,From Model Library李承戰 3
  4. 4. 切換至SIMPLIS Mode 4
  5. 5. 5 1. 新增原理圖Schematic 2. 切換模擬器 3. 選擇SIMPLIS模式
  6. 6. 6 1. 新增原理圖Schematic 2. 切換模擬器 在第一步選擇SIMPLIS sch之後, 第二部其實就不用選擇了。
  7. 7. 7 1. Command shell 系統資訊 2. 原理圖分頁 3. 原理圖繪製區域 4.新增檔案 5.頁面縮放 6.搜尋
  8. 8. 8
  9. 9. 9 元件的位置 Place 左鍵點選放置 元件庫的位置 這邊也有一些常見的元件 F5 旋轉 F6 左右鏡射 常見元件與快捷鍵 直流電壓源(V) Voltage Sources >Power Supply 電阻 (R) Passive> Resistor 電容 (C) Passive> Capacitor 電感 (L) Magnetics> Ideal Inductor 二極體 (D) Semiconductor> Diode 地(參考零點) (G) Connectors> Ground 波型產生器(W) Voltage Sources >Waveform Generator 端子(連接點) (Y) Connectors> Terminal 點選鉛筆可以把元件連起來
  10. 10. ▪ 地(參考零點) (G) ▪ Connectors>Ground ▪ 作為電壓的參考點 ▪ 一定需要放置地,否則模擬無法 運算!! ▪ 補充: ▪ Terminal (Y)端子 ▪ Connectors>Termianl ▪ 把相同名稱的端點連起來 ▪ 可以減少接線過長,讓電路圖美觀 10 因為變壓器把電路隔離成一次側和二次側, 所以兩側都需要一個地做為參考點!!
  11. 11. ▪ 設定定值 ▪ 像是電阻或是直流電壓/電流源等 ▪ 只用輸入一個元件數值就可以了 ▪ 設定起始值 ▪ 儲能元件如電容(C)、電感(L) ▪ 需要設定初始值 ▪ 註: 跑複雜模擬時,需要把初值設 為零或其他數值,否則選短路或開 路模擬會跑不動。 11 中文 十億 (G) 百萬 (M) 千(k) 毫(m) 微(𝝁) 奈(n) 皮(p) 飛(f) 數量級 109 106 103 10−3 10−6 10−9 10−12 10−15 SIMPLIS G Meg k m u n p f 電感 電容 輸入數值 設定初值或是短路 設定初值或是開路
  12. 12. ▪ Semiconductors ▪ 二極體、MOSFET或是BJT等 12 方法二: User-defined 自定義參數 方法一: Extraceted 利用型號來設定參數 選擇型號 補充: Model越高, 越能模擬更多非理想 效應 自訂名稱 初始狀況 最大導通電流 注意: Forward Current 一定 要大於操作電 流,否則跑出 的波型會怪怪 的!
  13. 13. ▪ 理想元件 ▪ 導通時不會有電壓和電阻的損失 ▪ 截止時不會有漏電流經過 ▪ 不要有額外的寄身電容 ▪ 模擬問題 ▪ 電壓類型的參數可以設為0V ▪ Ex: Forward Voltage ▪ 導通電阻設到微𝜇等級 ▪ 截止電阻設到百Meg等級 13 二極體(Diode)範例 注意!! 如果電阻設定過大或是過小, 會大幅增加運算時間!!! MOSFET範例
  14. 14. ▪ 理想電壓開關 ▪ Place> SIMPLIS Primitives> Simple switch-voltage controlled ▪ 只看差動端電壓決定是否導通 ▪ 電壓值大於Threshold則導通 14 差動端
  15. 15. ▪ 直流變壓器 ▪ Place> Magnetics> Ideal DC Transformer ▪ 模擬直流電源轉換器的高頻變壓器 ▪ 設定範例: ▪ 一次側繞阻數: 1 ▪ P1 ▪ 二次側繞阻數: 2 ▪ S1, S2 ▪ 匝比 ▪ S1 𝑃1 = 1 5 = 0.2 15 設定繞阻數量 點選調整繞阻數值 記得P1在分母喔!
  16. 16. ▪ 波型產生器 ▪ 可用Sawtooth產生比較用的鋸齒波 ▪ 可用Pulse產生PWM訊號驅動開關 ▪ 設定 ▪ 頻率 Frequency ▪ Duty 責任週期 ▪ 開關有多少比例是On或Off ▪ 電壓設定 ▪ 法一: ▪ Initial 最小值,Pulse 最大值 ▪ 法二: ▪ Offset 中間值,Amplitude 震幅(峰對峰值) ▪ 擇一即可,會自動調整 16 注意: 電壓要大過開關的Threshold才能驅動開關!!
  17. 17. 17 ▪ 直接框選原理圖 ▪ Ctrl+C 複製 ▪ 就可以貼去word了!
  18. 18. 18 Forward Converter CCM Operation Vin = 5V Vout=10V Pout= 20W Transformer P1:S1=1:5 L =100𝜇𝐻 C =100𝜇𝐹 Duty = 40% Frequency 100kHz
  19. 19. 19 TX1: Ideal Transformer 設定 V2:Wave Generator 設定 S1: Simple switch 設定 D1、D2: diode設定 注意: 電壓要大過開關的Threshold才能驅動開關!!
  20. 20. ▪ 除了使用Waveform Generator產生控制 方波外,也可以使用比較器和參考電壓 來產生控制方波。 ▪ 1. 比較器 Comparator ▪ Place> Digital>Advanced Digital (with ground ref > Gate>Comparator。 ▪ 2. 鋸齒波 ▪ Waveform Generator ▪ 選擇Sawtooth 產生鋸齒波 ▪ 3. 參考電壓 ▪ Voltage Supply 產生定電壓 20 利用Terminal(Y)連接 相同名稱的點 1. 2. 3.
  21. 21. 21 ▪ 參考電壓>鋸齒波時 = High ▪ 參考電壓<鋸齒波時 = Low ▪ Ex: 40%Duty ▪ 如果鋸齒波振幅10V,參考電壓為10 × 40% = 4𝑉。 藍色為10V的鋸齒波 綠色為 4V的參考電壓 紅色為比較器產生出的方波 Waveform Generator 設定 Comparator 設定 注意High要大過開關的Thredhold
  22. 22. ▪ 放置常見的類比IC ▪ Place> From Model Library 22 分類 列表 對應的圖示
  23. 23. 23
  24. 24. ▪ 一跑完模擬就會跳出波型圖的探棒! ▪ Place > Probe> ▪ Voltage Probe (B) ▪ 電壓探棒,對地電壓。 ▪ Current Probe (U) ▪ 電流探棒,通過元件的電流 ▪ 必須放置在元件的腳上!! ▪ Power Probe ▪ 輸出功率為負,消耗功率為正 ▪ 必須放置在元件的腳上!! ▪ Inline Current Probe ▪ 變壓器等無法使用一般的電流探棒 ▪ 放置在電路的路徑中。 ▪ Differential Voltage Probe ▪ 正負兩端的電壓差。 ▪ 負端不可以為地。 24 ▪ 雙擊修改名稱、編輯坐標軸特型 一般空白使用預設值就好
  25. 25. ▪ Place > Probe> ▪ 1.Voltage Probe (B) ▪ 電壓探棒,對地電壓。 ▪ 2.Current Probe (U) ▪ 電流探棒,通過元件的電流。 ▪ 流入為正,流出為負。 ▪ 必須放置在元件的腳上!! ▪ 3.Power Probe ▪ 輸出功率為負,消耗功率為正 ▪ 必須放置在元件的腳上!! ▪ 4.Inline Current Probe ▪ 變壓器等無法使用一般的電流探棒 ▪ 放置在電路的路徑中。 ▪ 5.Differential Voltage Probe ▪ 正負兩端的電壓差。 25 1.電壓探棒放在 任何端點都可以 2.電流探棒必須要 放在元件的腳上。 3.功率探棒必須 要放在元件的腳 上。 4. Inline Current Probe 5. 差動探棒
  26. 26. ▪ Choose Analysis (F8)選擇模擬類型 ▪ 暫態模擬 Transient ▪ 電路的一般操作模擬 ▪ 小訊號分析AC ▪ 量測小訊號模型、波德圖 ▪ 勾選AC就會自動加上POP ▪ 週期操作判定 POP ▪ Periodic Operation Point ▪ 尋找穩態操作點或是共振點 ▪ 要通過POP才可以跑AC ▪ Save Options ▪ All: ▪ 儲存所有資訊,可隨時用各種探棒量測。 ▪ Voltages Only: 只存電壓資訊。 ▪ Probes Only: ▪ 只存固定探棒的資訊。 ▪ 執行模擬(F9) ▪ 新增波型視窗(F10) 26
  27. 27. ▪ Analysis Parameter ▪ Stop time ▪ 模擬時間的總長 ▪ Start saving date at ▪ 從多少時間以後再紀錄波型圖 ▪ Plot data output ▪ Number of plot points ▪ 總繪圖點數,平均分配在波型圖上。 ▪ 盡量設置在100k。 ▪ 當取點數不足時 ▪ 會出現鋸齒狀的失真波型 ▪ 調短模擬時間 ▪ 增加取點數 ▪ 延後開始繪圖的時間 27
  28. 28. 28 範例: 取決於所要觀察的波型的頻率!! 100kHz 弦波 由以下結論可看出至少要 100k點/10ms~1ms/100kHz = 每週期100~1000點 Case 4: 1ms,100k Case 3: 10ms,100k 些微鋸齒狀,取點數不足。 Case 2: 100ms,100k 出現鋸齒狀,取點數不足。 Case 1: 100ms,10k 已經失真到完全不像弦波了
  29. 29. ▪ 當電路模擬一定要跑長時間的時候,會面 臨電腦記憶體不足的問題。 ▪ 利用儲存初始值的方式分次接續地跑! ▪ Simulator > Initial Conditions (ICs) > ▪ Back-annotate ▪ 儲存儲能元件(L,C)上的數值 ▪ Disable ▪ 暫時關閉初始值 ▪ Enable ▪ 重新啟動初始值 ▪ 方法: ▪ 先跑一次長時間且低取點數的模擬。 ▪ Back-annotate ▪ 再跑一次短時間但高取點數的模擬。 29 儲能元件紀錄初始值之 後,旁邊會寫IC…
  30. 30. 30 ▪ 如果不小心把波型圖關掉之後,還想重新看 結果時,可以用臨時探棒。 ▪ 但必須在模擬的Save options選項,選All。 ▪ 右鍵 ▪ Probe Voltage : 量測節點的對地電壓 ▪ Probe Current: 一定要對準元件的腳 ▪ Probe ▪ 常用的Probe ▪ Voltage : 點選節點 ▪ Voltage - Differential: ▪ 先點正端,再點負端(負端不能為地) ▪ Current in Device Pin: 點選元件的腳 ▪ Power in Device: 點選元件 工具列>Probe 右鍵
  31. 31. 31
  32. 32. ▪ 點選波型視窗右上腳的三角形 ▪ Undock 將波型視窗分離 32 ▪ 勾選想要的波型 ▪ Ctrl+C 複製波型 ▪ F10 新增空白波型視窗 ▪ Ctrl+V 貼上波型 新增空白波型視窗
  33. 33. ▪ 方法1: ▪ Curves> Stack All Curves ▪ 將波型分離 ▪ SIMPLIS 8.00版本才有 33 ▪ 方法2: ▪ 1. 新增格線 New Grid ▪ 2. 勾選想要移動的波型 ▪ 3. 左鍵點選想要移動到的格線 ▪ (選中會有黑邊) ▪ 4.移動波型去選中的格線 1. 新增格線 2. 勾選要移動的波型 4.移動波型 3.選擇要移動去的格線,(選中會有黑邊)
  34. 34. 34 電路暫態,還未穩定 電路穩態,穩定操作 左鍵框選想要放大的範圍 常用操作: 左鍵框選放大區域 Ctrl+z 還原上一步 穩態(Steady-state)波型: 每個周期要回到同一個點! 取3~4個週期即可!! 每個周期要回到同一個點! 1. 波型上下展開 2. 波型左右展開 3. 波型全展開 1. 2. 3. 4. 更新波形名稱 5. 刪除波型 6. 刪除格線 4. 5. 6.
  35. 35. 35 穩態(Steady-state)波型: 1. 每個周期要回到同一個點! 2. 取3~4個週期即可!! 3. 一張波型圖取使用3~5個波型去呈現 你要表達的主題! Ex: 附圖為Forward Converter開關切換的 電壓與電流圖。 可以清楚表達開關的元件的電壓,電感 的充放電!
  36. 36. ▪ 手動量測波型的工具! ▪ 由一對垂直軸和一對水平軸組 成 ▪ 交點有黑色十字!! ▪ 顯示時間差和數值差 ▪ 啟動 Toggle On/Off (C) ▪ 新增Cursor ▪ Add Additional Cursor 36 游標名稱 水平參考軸 垂直參考軸 顯示數值差 交點1 交點2 顯示時間差 交點2數值 交點1數值
  37. 37. ▪ 範例1: ▪ 新增一個以REF為參考軸的游標B ▪ 範例2: ▪ 新增一個獨立的參考軸REF2 ▪ 新增一個以REF2為參考軸的游標C 37 游標名稱 水平參考軸 垂直參考軸 不以任何人為 參考軸就選 none! 以REF為參考 軸的游標 以REF2為參考 軸的游標
  38. 38. ▪ 移動游標至期他的波型上 ▪ 左鍵按住游標與波型的十字交點 ▪ 拖移置目標波型 38
  39. 39. ▪ Measure 數值量測 ▪ 可以快速抓出各種想要的波型參數 ▪ 一般的模擬範圍中會包括前面的暫 態部分,如果直接使用”全時間軸” 的量測,會量不到真的穩態數值! ▪ 選擇量測範圍 ▪ Measure> A More Functions (F3) ▪ 勾選Cursor span (記得開Cursor) ▪ 用Cursor 框住想要量測的範圍 39 以”全時間軸” 的波型計算數 值 選擇想要的量測
  40. 40. 40 1. 勾選想要測量的項目 2. Cursor框選量測範圍(盡量整數的週期) 4. 選擇量測 3. 勾選 Cursor Span 5. 量測資訊會出現 在波型標籤和 Legend Box上
  41. 41. 41 ▪ Annotate 標示註解 ▪ Curve Marker ▪ Legend Box ▪ Caption…. ▪ 左鍵雙擊可以變更底色和字形 ▪ Curves ▪ Rename Curve 重新命名 ▪ … ▪ Copy to Clipboard ▪ 內建的波型複製工具 變更底色 變更字形 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5
  42. 42. 42 輸出電壓 電感電流 二極體跨壓 開關訊號 開關跨壓 VDS 和 Vdiode為了知道截止時的跨壓,所以量Maximum。 VGS 控制訊號量測Duty和Frequency IL和Vout 因為涉及到電感和電容的充放電,需要知道其中的變 化量,所以選Peak To Peak Vout 常常會需要計算功率所以量測RMS 取3~4個全波即可 標註英文代號表示的物理意義
  43. 43. 43 電感電流 Settling Time Overshoot 註: 這個settling time是我目測 的,沒有按任何嚴謹的定義
  44. 44. 44 調整模擬線寬 備註: Graph Printing的調整只會影響Print出來的圖片
  45. 45. 45
  46. 46. 46 ▪ 頻率響應量測 ▪ 在穩態操作下,把各頻段的弦波注入系統, 量測輸出端的變化,就可以看出系統對於 各頻段的增益和相位! ▪ 1. 雜訊注入 ▪ Voltage Sources> AC Sources ▪ 注入各頻段的交流雜訊 ▪ 2. 繪製波德圖 ▪ Probe AC/Noise > Bode Plot Probe ▪ IN 端連AC Sources ▪ (接雜訊輸入端) ▪ OUT端連接量測端 ▪ 3. 穩態判定 ▪ Place> Analog Functions >POP trigger ▪ 判定系統是否進入穩態! ▪ 輸入開關訊號等系統週期的訊號 1. 2. 3. 利用端子Terminal(Y) 連接相同名稱的點 雜訊注入端 雜訊量測端 把開關訊號輸入 POP trigger 註: 此範例量測系統的”Duty to Output”的頻率響應
  47. 47. 47 ▪ 在做小訊號量測前,要先利用POP去確認系統進入穩態。 ▪ POP 模擬設置 ▪ (跑POP和AC之前,要先用Transient 模擬跑到穩態,並且 Back-annotate) ▪ Timing ▪ Maximum period: 要大於系統的週期! ▪ Cycles before launching POP ▪ 在執行POP前會跑幾次Transient使系統進入穩態 ▪ (但如果你已經Back-annotate穩態數值的話,就不重要了) ▪ Advanced ▪ Convergence: ▪ 經過一週期後誤差要小於多少才算穩態 ▪ (如果POP一直過不了,可以稍微開大一點) 3. 註: 此範例量測系統的”Duty to Output”的頻率響應
  48. 48. 48 ▪ AC 掃頻設定 ▪ Start frequency: 起始頻率 ▪ Stop frequency: 結束頻率 ▪ Points per decade: 取點數 ▪ 操作步驟 ▪ 1. 先用Transient 跑至系統穩態 ▪ 2. Simulator>Initial Conditions>Back-annotate ▪ 儲存穩態數值至初始值 ▪ 3.跑POP和AC的模擬 1. 2. 3.
  49. 49. 49 註: 此範例量測系統的”Duty to Output”的頻率響應
  50. 50. 因為問題有點多,一時之前也想不起來多少,就持續蒐集囉! 50
  51. 51. 51 舊版本的分離視窗 新版本的預設位置(也可以分離出來) ▪ 當模擬出問題的時候,可以從Command Shell裡看看系 統出了甚麼問題! ▪ 所以如果模擬跑不出來,寫信給助教的時候,這部分的 資訊一定要一起附上來。
  52. 52. 52 變壓器隔離出一次側和二次側,兩側都需 要要有參考點(地)! 這邊要放一個地!
  53. 53. 53 電流探棒必須要放置在元件的腳上! 錯誤(X)! 正確 (O)!
  54. 54. ▪ 開關訊號有給,但是輸出非常非常低? ▪ 常見錯誤: ▪ 開關驅動電壓< 開關Threshold 導致開關 根本沒有導通! 54 輸出的數值在n,p,f等級… 5V 驅動電壓過不了10V的Threshold
  55. 55. ▪ 穩態: 經過一個週期,數值會回到相同值! 55 錯誤(X)! 正確 (O)!
  56. 56. 56

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