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如何使用NL5进行电路仿真？看看这个简单的例子

EMC标准 2023-09-12 23:17
破解工业通信时延困局 测量工具选型不当可能会毁掉你的PCB调试成果

NL5是一款电子仿真器，最初设计的初衷是最大限度地减少仿真结果中的错误···

它的功能非常强大，可以处理所有类型的电路。NL5的工作理念是以呈现非常准确的结果为基础的，遵循的原则是，设计人员应针对每项任务使用恰当的工具。
错误总会潜伏起来
即使设计人员确定他们已正确输入原理图和数据，电子仿真有时也会出现错误。这些不是操作错误，而是预期与所使用的仿真器类型不符。首先，设计人员必须知道，从简单的电阻和二极管开始，仿真器是处理理想元器件的完美软件。通常，使用的模型可能并不可靠，特别是在关键的工作条件下。如果电电路工作在极限条件下，仿真器会采取“权宜之计”(通常不向用户透露)进行干预，以使仿真尽可能顺利地进行。添加电阻和电容有助于改善开关的收敛性，但也会产生副作用，导致结果与预期不同。因此，错误的跟踪很难实现。
NL5(NL=非线性)的运行方式与其他传统的基于SPICE的仿真器不同。其主要思想是从非常简单的电路表示开始，然后添加更复杂的元件，并始终保持仿真结果的可靠性。因此，我们从基本设计开始，利用理想元件来了解设计思路是否可行。然后，进入下一步，增加电路的复杂性。在此阶段，可以添加寄生电容和电感、损耗、偏移、开/关电阻、有限增益和带宽，即实际电路中存在的所有元件。所有这些元件都可以逐一修改，以确定哪些是最关键的。
通过遵循这种方法，首先使用简单的理想元器件，然后逐步添加实际功能，就可以确定导致实际系统出现问题的原因。
理想的元器件
NL5的基本元器件非常简单。它们是电阻、电容、电感器、电压源和电流源。它们都是理想元件(见图1)，没有寄生元件或其他隐藏参数。所有元器件参数都是可见的并且可以由用户更改。每个元器件参数都可以设置为任何值，包括负值、零值，甚至无限值。这使得用户可以创建现实生活中不存在的、堪称理想的元器件。例如，可以创建一个电阻为零的电阻或电阻无穷大的电阻。尽管这样的理想元器件在现实生活中并不存在，但它们在仿真中很有用。
在一开始，使用理想元件似乎更有优势，因为它们的简单性将有利于计算算法。然而，在某些情况下，需要评估元器件的真实行为，例如通过近乎理想的开关对电容进行瞬时充电。其主要问题不在于计算开关后的最终电压，而在于如何向用户呈现无穷值信号。该算法就完美地处理了仿真步长，从而决定了结果的准确性。
通常，在SPICE仿真器中，用户仅指定最大步长，仿真器可以在必要时减小步长以达到所需的精度。由于多种原因，这种方法非常值得商榷。通常没有必要在仿真的所有周期中设置相同的绝对精度。在NL5中，仿真步长的管理就非常简单，由用户决定步长的类型。最开始是根据电路预期、所需精度、仿真速度等设置最大间隔。
NL5可以自动降低间隔的原因只有三个，并且始终都要征得用户的同意：
  • 跟踪信号的瞬时波形。
  • 准确检测开关点。
  • 确保开关过程的可靠收敛。
通过选择步长值，用户就能更好地了解电路的运行情况，并预测可能出现的限制。

图1：理想元器件(来源：NL5)

NL5有哪些版本

为了让所有用户都能操作，NL5提供了多个版本：

  • NL5标准全功能版(Standard full-functional edition)：这是标准完整版，包括许多高级功能和工具。您可以购买包含所有元器件的版本，并且许可证个人和企业均可使用。

  • NL5 Lite：这是该软件的免费简化版。它可以打开与标准NL5相同的原理图文件并使用相同的仿真算法，但它不支持NL5的大部分功能和工具，并且具有更简化的用户界面和基本功能。它是免费的，无需许可证即可使用无限数量的元器件运行仿真。NL5 lite是创建新项目并获得初步结果的最佳工具。如果需要，设计人员可以在之后升级到完整版本，以便使用特定工具进行更详细的分析。

  • NL5 DLL：原理图创建过程通常在Windows环境中使用NL5或NL5 Lite完成，然后可以使用NL5 DLL在Windows、Linux或macOS中执行仿真。这种灵活性使用户可以选择自己喜欢的仿真平台，同时依旧能从NL5的功能中受益。另外，通过MATLAB、Python或其他编程语言控制NL5仿真的能力，对于想要自动化模拟仿真并将其集成到更大的工作流中的用户来说也是一大优势。此外，其突出强调的与数字仿真器(例如运行System Verilog的仿真器)相协同仿真的能力对于设计验证确实至关重要。此功能可以将数字仿真器的强大功能与NL5 DLL提供的可靠模拟仿真相结合，为验证复杂的混合信号设计提供全面的解决方案。
NL5不使用SPICE进行仿真，而是采用其他非常高效和快速的算法。简而言之，SPICE和NL5之间存在一些差异：

SPICE：

  • 复杂的数值算法可能会产生错误的结果

  • 开关点处收敛

  • 错误结果很难被发现

  • 通常需要添加小元器件才能使数值算法发挥作用

  • 一些固有特性没有被记录。

NL5：

  • 简单的积分算法

  • 没有收敛问题

  • 结果易于验证

  • 无需添加额外元器件

  • 对于理想的元器件，无需输入非常大或非常小的值。
举一个简单的示例

图2显示了开关电路的通用图(使用的是NL5本地示例)。为使其在文章中看起来更清晰，对颜色进行了更改。默认情况下，电路图和波形图的背景实际上是黑色的。接线图由以下电子元件组成：

  • V1：脉冲电压源

  • L1：1H的理想电感器

  • T1：电子开关

  • D1：理想二极管

  • C1：1F的电容

  • R1：1Ω的电阻负载。

图2：振荡器的接线图以及输出的电压图

与其他仿真工具一样，NL5的仿真速度极快，可瞬间完成。虽然其他工具可能也可以实现快速仿真，但NL5在处理复杂开关点和瞬态行为方面的可靠性远超于其他类似工具。在某些情况下，其他仿真器可能会在开关点遇到速度减慢或出现问题，从而可能导致错误的结果。
因此，NL5的优势不仅在于速度，还在于其仿真的鲁棒性和准确性，特别是在处理复杂的仿真和混合信号设计时。这种可靠性对于确保仿真结果准确反映真实世界的性能非常重要，对于为其项目寻求可靠结果的工程师和设计师来说这点尤其重要。
为了进行实验，设计人员可能会尝试在T1上并联一个值非常低的电容，以获得更真实的仿真结果，但他会发现NL5的本地仿真结果就是完美的。对于所有仿真器来说，开关状态的仿真都是一个极为关键的领域，NL5则出色地解决了这个问题。
结论
NL5最初是为开关电源仿真而设计的，但事实证明，它是可以用于所有其他类型电子电路(从传输线到高功率射频发生器、精密工具和数字信号处理)的出色仿真工具。NL5完全满足所有用户的需求，无论他们的经验、兴趣和期望如何。它是初学者和电子专业的学生的理想软件。NL5非常容易使用，并且只要有基本的电子仿真器经验就足够了。因为SPICE的典型收敛问题已不复存在，经验丰富的工程师可以利用极其快速且鲁棒的算法来仿真大型系统。由于NL5中使用的理想元件非常基础，因此其范围不仅限于电子领域。它可用于许多学科的系统仿真，如机械、传热和流体力学。
值得注意的是，NL5不支持SPICE模型，例如制造商为“真实”电子元件提供的模型。在仿真方面，NL5主要依赖于自己的一套“理想”元器件。尽管这些制造商的元件鲁棒且适应性强，但它们并不打算直接纳入制造商的特定模型。如下所述的，用户应该意识到，NL5专注于理想元器件和分段线性建模。
NL5使用简化的分段线性(PWL)表示法，可以灵活地对NL5的“理想”元器件无法提供的非线性特性进行建模，例如指数二极管的特性。用户可以创建自己的PWL模型来准确表示器件的行为。这种方法让用户能够控制电路模型的精度和细节的水平，从而允许他们修改仿真以匹配现实世界的特性。NL5对PWL建模的支持可以让用户管理各种非线性行为，而不会影响仿真的速度或精度。
作者：Maurizio Di Paolo Emilio， 来源：Power Electronics News
参考原文：Circuit Simulation: NL5’s Approach，由Ricardo Xie编译。
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END



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