探究蒙特卡洛仿真分析

时间： 2024-10-18 来源：巨霖科技公众号

技术问答

起源

蒙特卡洛分析（Monte Carlo Analysis）的起源可以追溯到20世纪40年代，其名称源自摩纳哥的蒙特卡洛赌场。这个方法的核心思想是通过随机抽样和统计学来估计复杂系统的行为和结果。

蒙特卡洛方法最初由物理学家约翰·冯·诺依曼（John von Neumann）和斯坦尼斯瓦夫·乌拉姆（Stanisław Ulam）发展，他们在研究核武器项目时发现，传统的解析方法在处理不确定性和复杂性时非常困难。为了克服这些挑战，他们提出使用随机抽样的方法来解决问题。

随着计算机技术的发展，蒙特卡洛方法逐渐被应用到更广泛的领域，如电路仿真、金融等。在这些领域中，它用于模拟各种不确定性和复杂情况，从而帮助做出更为可靠的预测和决策。

简介

蒙特卡洛分析法，又称为统计模拟法或随机抽样技术，是一种通过随机模拟来研究元件公差对电路操作的影响的方法。它一般通过使用伪随机数生成元件值的随机组合，以预测电路的成品率并验证设计规范。此方法也被称为容差分析技术，用于评估电路参数的稳定性，研究在特定使用条件下，元件参数偏差对电路性能的影响。

因为在实际电路仿真过程中，电子元件的值往往不如理论值那样恒定，而会受温度和其他因素的影响。例如，一个标称值为200Ω、偏差为10Ω的电阻，通过蒙特卡洛模拟，可以生成如196、204、198、202和209欧姆等随机阻值。这种分析有助于估计元件值变化对电路行为的影响，特别适用于含有公差或不确定性组件的系统，从而改进电路设计并提高可靠性。通过这种方法，可以设计出在极端条件下也能满足规格要求的电路。

如下图所示，市场上的电容器有不同的公差，如1%、5%、10%、20%等，其实际值可能与标称值差异较大，且工作温度会影响其值。因此，设计人员需要考虑元件值的实际变化，以更真实地模拟系统行为。例如，公差为50%的电容C1，其容值可能在50uF到150uF之间。蒙特卡洛可以使用高斯分布或均匀分布来生成这些随机值。

PowerExpert仿真案例分析

使用Monte Carlo函数确认电阻、电容的变化：

一般来说，在用SPICE进行蒙特卡洛分析时，会给出伪随机数（函数）作为元件误差，并使参数发生变动。

下面，笔者将用巨霖科技的通用电路仿真工具PowerExpert，把蒙特卡洛分析应用到一个buck电路上。

Buck原理图搭建：

双击瞬态仿真器，设置扫描，在编辑扫描页面中选中Sweep model 为Monte Carlo后设置参数。

在参数设置中，选择需要进行蒙特卡洛分析的器件类型（电阻，电容）。Function：选择均匀分布还是高斯分布。Coeff：定义变化范围的系数。Number of points：定义扫描的次数。

完成设置后，保存并退出，点击仿真即可。

在这里，我们同时分析电阻和电容值的偏差对该buck电路的影响，对于生成伪随机数，我们使用了高斯分布，并设置它们的公差为10%，来生成10个伪随机数列。

用PowerExpert内置的波形显示器查看并测量仿真结果：

从结果中我们可以看到电阻电容值的偏差对于buck电路Vout的影响。

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