SIMPLIS

1. by 助教戰 1

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
▪ 波形整理
▪ 常見操作
▪ Cursor
▪ Measure
▪ 波形範例
▪ 補充:
▪ 波德圖量測
▪ Device Verification Module (DVM)
▪ Multi-tone Analysis
▪ 常見問題

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
▪ 2021/07/02: 新增DVM與Multi-tone Analysis 李承戰
3

4. 切換至SIMPLIS Mode
4

5. 5
1. 新增原理圖Schematic 2. 切換模擬器 3. 選擇SIMPLIS模式

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
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

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
波形產生器(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. ▪ 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. ▪ 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. ▪ 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
的波形會怪怪
的!

13. 理想
▪ 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
▪ 不要有額外的寄生電容
▪ 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. ▪ 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. ▪ 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. ▪ 波形產生器
▪ 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
▪ 直接框選原理圖
▪ Ctrl+C 複製
▪ 就可以貼去word了!

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
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. ▪ 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
▪ 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Threshold

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

24. ▪ 一跑完模擬就會跳出波形圖的探棒!
▪ 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、編輯坐標軸特性
一般空白使用預設值就好

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. ▪ 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)
▪ 新增波形視窗(F10)
26

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形圖
▪ Plot data output
▪ Number of plot points
▪ 總繪圖點數，平均分配在波形圖上。
▪ 盡量設置在100k。
▪ 當取點數不足時
▪ 會出現鋸齒狀的失真波形
▪ 調短模擬時間
▪ 增加取點數
▪ 延後開始繪圖的時間
27

28. 28
範例:
取決於所要觀察的波形的頻率!!
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. ▪ 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
▪ 如果不小心把波形圖關掉之後，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

32. ▪ 點選波形視窗右上腳的三角形
▪ Undock 將波形視窗分離
32
▪ 勾選想要的波形
▪ Ctrl+C 複製波形
▪ F10 新增空白波形視窗
▪ Ctrl+V 貼上波形
新增空白波形視窗

33. ▪ 方法1:
▪ Curves> Stack All Curves
▪ 將波形分離
▪ SIMPLIS 8.00版本才有
33
▪ 方法2:
▪ 1. 新增格線 New Grid
▪ 2. 勾選想要移動的波形
▪ 3. 左鍵點選想要移動到的格線
▪ (選中會有黑邊)
▪ 4.移動波形去選中的格線
1. 新增格線
2. 勾選要移動的波形
4.移動波形
3.選擇要移動去的格線，(選中會有黑邊)

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)波形:
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. 波形上下展開
2. 波形左右展開
3. 波形全展開
1. 2. 3.
4. 更新波形名稱
5. 刪除波形
6. 刪除格線
4. 5. 6.

35. 35
穩態(Steady-state)波形:
1. 每個周期要回到同一個點!
2. 取3~4個週期即可!!
3. 一張波形圖取使用3~5個波形去呈現
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. ▪ 手動量測波形的工具!
▪ 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. ▪ 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. ▪ 移動游標至期他的波形上
▪ 左鍵按住游標與波形的十字交點
▪ 拖移置目標波形
38

39. ▪ Measure 數值量測
▪ 可以快速抓出各種想要的波形參數
▪ 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”
的波形計算數
值
選擇想要的量測

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
在波形標籤和
Legend Box上

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
▪ 內建的波形複製工具
變更底色
變更字形
1
2
3
4
5
1
2 3
4
5

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
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
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

46. ▪ 當我們需要頻繁改動多個電路數值，或是
參數之間有計算關係時，我們可以使用變
數(Variable)來簡化參數設定的步驟。
▪ Command Window(F11)
▪ 按下(F11)跳出指令視窗
▪ 宣告變數:
▪ .var 變數名稱 = 數值
▪ 數值可以用k, m, Meg…等數值符號。
▪ 使用變數
▪ {變數名稱}
▪ 可以運算
▪ 注意:有些參數不可以直接用變數來設定
▪ Ex:
▪ 變數無法設定Duty和Period
▪ 但可以用Frequency 和Width達到一樣
的效果!
46
Command Window(F11)
Ex:
使用變數來設定
Waveform Generator
的數值。

47. ▪ PID Discrete Time Filter
▪ Place>Search Part..>PID Discrete Time Filter
▪ Laplace Transfer Function
▪ Place>Search Part..> Laplace
▪ 1st, 2nd, 3rd order Laplace T
47

48. 48

49. 49
▪ 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，系統的週期訊號。
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

50. 50
▪ 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

51. 51
▪ 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.

52. 52
註: 此範例量測系統的”Duty to Output”的頻率響應

53. 因為問題有點多，一時之前也想不起來多少，就持續蒐集囉!
53

54. 54
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。

55. 55
變壓器隔離出一次側和二次側，兩側都需
要有參考點(地)!
這邊要放一個地!

56. 56
電流探棒必須要放置在元件的腳上!
錯誤(X)!
正確 (O)!

57. ▪ 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!
57
輸出的數值在n,p,f等級…
5V 驅動電壓過不了10V的Threshold

58. ▪ 穩態: 經過一個週期，數值會回到相同值!
58
錯誤(X)!
正確 (O)!

59. 59

60. ▪ 8.4版本以前的數位系統
▪ Classic SIMPLIS Digital Devices
▪ Advanced SIMPLIS Digital Devices
▪ Symbol and Model Library
▪ Ex: UC3845 block
▪ Verilog…
▪ 數位裝置遇到的問題
▪ Pop/AC analysis 無法使用在數位電路上
▪ 在數位的迴路中，數值是以離散的方式傳輸
▪ 注入訊號不足以在數位系統中產生閉迴路的響應
60
Advanced
Classic

61. ▪ 位在Device Verification Module內部
▪ Version 7.0 up
▪ 需要特定License
▪ 不需要使用POP/AC分析，只需要Transient就可以。
▪ 自行設定AC擾動訊號的大小，確保有效的AC響應
▪ 注入多個訊號再利用Fourier Analysis把響應分析出來
▪ 注入訊號像是多個串連的Sine wave
▪ 頻率呈現倍頻關係(harmonically related )
▪ 因為沒有POP確保穩態，需要自行確保電路操作在周期穩態下
61

62. ▪ 執行多個使用者定義的電路模擬與分析
▪ 多組量測並與設計規格做比較
▪ 完整的測試報告
▪ 各個測試是否成功
▪ 對應到各結果的表格的連結
▪ 對應到各圖表的連結
▪ 對應到各圖表原始資料的連結
▪ (上述資料會存在DVM輸出的資料夾)
62

63. 63

64. ▪ 將Source和Load換成DVM 專用的符號
▪ 法一: 使用DVM>Places來設置
▪ 法二: 先設置Control Panel，讓系統自動產生
▪ 範例:
▪ Full-set Control Panel
▪ 3-terminal Load
▪ 有sense端的load，適用在各種分析
▪ (有些分析無法使用2-terminal Load)
▪ DVM DC/AC Input
64
Control Panel
圖1. 傳統的電路分析設置
圖2. DVM 原理圖設置

65. ▪ 雙擊Control Panel
▪ (Full-set Control Panel)
▪ 調整 Input / Output Configuration 去決定輸
出入的數量
▪ 各式分析的設定
65
輸入輸出數量設置
電路描述

66. 66
DC Input 設定 AC Input 設定
理想輸入源設為0
理想輸入源設為0
除了High Line 和 Low Line 外，
也要設置輸入電壓的變動範圍
Nominal
Maximum
Minimum
不要濾波器則設為0

67. 67
輸出電壓
最大載量
和AC Dropout有關
輸出限制
選擇對應的負載

68. ▪ 探棒設定
▪ 在名稱前面加上 DVM
▪ 量測設定
▪ 對著DVM探棒右鍵
▪ Edit/Add Measurement
▪ Add Measurement
▪ 如何設定Cursor Span?
68
設定量測項目

69. ▪ 自訂量測項目(沒研究，有點複雜)
▪ 使用內建的量測項目
▪ DC/DC Objectives
▪ AC Analysis
▪ (用這個就可以量測Loop Gain)
▪ Line 輸入變動
▪ Load 輸出變動
▪ 輸入端是AC
▪ 就只能用Multi-Tone AC Analysis 來量
測(Loop Gain)
69
1. 設定Test Plan
2. 選擇Test Plan
3. 勾選要執行的細項

70. 70
輸出儲存的位置與檔案類型
分類
執行報告
波型圖

71. 71

72. 72
Specification (Nominal)
Vin: 155VDC or 110VRMS
Vout: 15VDC
Full Load: 2A, 30W
fSW =100kHz
L = 500uH
C = 220uF
………
備註: 在做DCM之前，我已經用Transient跑到穩態了!!

73. 50% Load 100% Load
73
除了自己設定的DVM Probe
外
本身的DVM Input 和 Load的
電壓電流也會跑出來

74. 74

75. 50% -> 100% 100%->50%
75

76. 各載量對應輸出 載量VS 效率
76

77. ▪ 目前使用上還是有些問題找不到答案
▪ 點數限制無法很精密
▪ 最多100個點
▪ 縮短量測範圍
▪ 當輸入端是AC時
▪ Sweep Type
▪ Linear
▪ Decade
▪ Decade 2
▪ 第一個decade 用Linear畫
▪ 當輸入端為DC時
▪ 只能用Linear 畫2個decade
▪ Testplan
▪ Multi-tone Analysis->AC/DC
77
注入電壓
頻率範圍
取點數
類型
???

78. 78

79. ▪ 綠能跟電網
▪ 太陽能處理
▪ 三相電網
▪ CFDAB 直流/直流轉換器(戰)
▪ 馬達
▪ 馬達驅動器
▪ EME (馬達模擬器)
▪ 台達電合作(張嘉周)
▪ 寬能隙元件
▪ GaN
▪ (更高速，容易被擊穿)
▪ SiC (耐高溫、高速、耐電流大)
▪ MOSFET，(傳統上，IGBT)
79