宏模型開(kāi)發(fā)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的仿真電路和系統(tǒng)

電子系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜。大多數(shù)復(fù)雜性來(lái)自集成電路，在進(jìn)入市場(chǎng)之前，集成電路可能需要經(jīng)過(guò)數(shù)年的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證周期。系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程團(tuán)隊(duì)在將IC開(kāi)發(fā)到系統(tǒng)之前先對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。IC Macro模型可幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在制作任何物理PCB之前，將這些設(shè)備理解，仿真并實(shí)現(xiàn)到系統(tǒng)中。這樣做可以為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員節(jié)省成本和時(shí)間，同時(shí)保護(hù)IC設(shè)計(jì)工程部門(mén)的設(shè)計(jì)IP。本文詳細(xì)解釋了行為模型開(kāi)發(fā)（尤其是宏模型開(kāi)發(fā)）的需求，利益和市場(chǎng)獲取方面。

模型是通過(guò)數(shù)學(xué)方程式，等效電路，圖表，圖形或表格以及模型有效區(qū)域的推理，假設(shè)，近似和邊界條件來(lái)表示設(shè)備或系統(tǒng)特性的表示。行為建模也可以定義為一種將設(shè)計(jì)近似到某種程度的技術(shù)，在這種情況下，建模足夠簡(jiǎn)化以減少?gòu)?fù)雜性和仿真時(shí)間，但仍保持系統(tǒng)輸入輸出特性的完整性。

模型幫助我們理解系統(tǒng)，不僅節(jié)省了理解系統(tǒng)的時(shí)間和精力。它還提供了相關(guān)信息，以消除冗余部分，只有被建模的設(shè)備/系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員才需要擔(dān)心。圖1顯示了典型MOSFET的幾種模型。

圖1MOSFET根據(jù)您的使用方式可以有幾種型號(hào)。

在功率電子學(xué)中，我們可以將MOSFET建模為簡(jiǎn)單的壓控開(kāi)關(guān)。在模擬電路中使用時(shí)，可以將飽和區(qū)域中的同一MOSFET建模（小信號(hào)）作為壓控電流源。這些模型均未定義MOSFET。但是，他們可以準(zhǔn)確地描述這些應(yīng)用中MOSFET的行為。

模擬電路和系統(tǒng)對(duì)行為建模提出了重大挑戰(zhàn)。在數(shù)字系統(tǒng)中，我們可以簡(jiǎn)單地將模型轉(zhuǎn)換為軟件。

宏觀模型開(kāi)發(fā)的需求

行為建模在IC開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)前和設(shè)計(jì)后步驟中都占有一席之地。行為建模是工程設(shè)計(jì)的重要組成部分，因?yàn)樗梢詭椭?a target="_blank">工程師理解問(wèn)題和所需的補(bǔ)救措施。通過(guò)在設(shè)計(jì)過(guò)程開(kāi)始之前就詳細(xì)描述行為，建模還有助于提高整體系統(tǒng)/設(shè)計(jì)性能。這有助于工程師在深入設(shè)計(jì)過(guò)程之前修改和增強(qiáng)設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)后模型開(kāi)發(fā)更為普遍，并且通常可供電路板和系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員使用。在完成測(cè)試芯片的表征之后，制造商會(huì)發(fā)布仿真模型。這在許多方面都有幫助。對(duì)于IC制造商而言，將樣板PCB分發(fā)給每個(gè)潛在客戶(hù)既困難又昂貴。但是，模型是IC制造商可以輕松分發(fā)的加密軟件/模擬器可讀文件。

樣品PCB分布的另一個(gè)障礙來(lái)自以下事實(shí)：設(shè)計(jì)人員可能沒(méi)有復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)室設(shè)置來(lái)充分測(cè)試PCB。這也是對(duì)客戶(hù)流失的潛在威??脅，可以通過(guò)共享加密模型輕松解決。

在客戶(hù)實(shí)驗(yàn)室成為原因的情況下，由于IP保護(hù)原因以及仿真時(shí)間問(wèn)題，無(wú)法與客戶(hù)共享實(shí)際設(shè)計(jì)。開(kāi)關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器的全芯片布局后仿真通常需要數(shù)周的時(shí)間才能對(duì)一個(gè)測(cè)試臺(tái)進(jìn)行完整的仿真。雖然可以開(kāi)發(fā)出等效的宏模型，但可以在幾分鐘內(nèi)完成仿真，而不會(huì)影響器件/ IC的特性。

在宏建模的情況下，可以單獨(dú)開(kāi)發(fā)每個(gè)要建模的IC功能，并在最后將它們集成在一起。因此，在IC模型中，建模的每個(gè)參數(shù)都可以獨(dú)立于模型的其余部分執(zhí)行自身，但是在物理IC中情況并非如此。

宏觀模型開(kāi)發(fā)
宏建模涉及為IC或系統(tǒng)的部分或全部開(kāi)發(fā)模型。這是忽略系統(tǒng)/ IC行為的某些部分的技巧，同時(shí)要記住預(yù)期和需要建模的最終結(jié)果?？梢蕴砑庸δ芤允鼓Ｐ驮絹?lái)越逼真。目的仍然是復(fù)制系統(tǒng)的輸入/輸出特性。例如，用作誤差放大器的開(kāi)關(guān)電源（SMPS）中的運(yùn)算放大器可以簡(jiǎn)單地建模為具有高增益的壓控電壓源，然后是低頻的極點(diǎn)。輸出失調(diào)，共模抑制比（CMRR），電源抑制比（PSRR）和壓擺率等參數(shù)的重要性不高，可以忽略。如果諸如擺率之類(lèi)的關(guān)鍵參數(shù)影響系統(tǒng)性能，則僅需添加該參數(shù)。這種選擇性特征建模還有助于減少仿真時(shí)間。在模擬宏模型開(kāi)發(fā)的情況下，創(chuàng)建測(cè)試平臺(tái)以驗(yàn)證針對(duì)硅片結(jié)果開(kāi)發(fā)的模型也是同樣具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

可以為任何工程系統(tǒng)開(kāi)發(fā)宏模型，以減少工作量，節(jié)省時(shí)間并保護(hù)設(shè)計(jì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）。

行為和Spice宏模型的開(kāi)發(fā)

圖2顯示了典型的開(kāi)環(huán)DC-DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹?/p>

圖2典型的開(kāi)環(huán)DC-DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹?/p>

開(kāi)關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器模型開(kāi)發(fā)包括DC / DC和AC / DC轉(zhuǎn)換器同步和異步拓?fù)?，例如Buck，Boost，Buck-Boost，Inverting Buck Boost，Inverting Buck，Cuk，Sepic，F(xiàn)ly back，F(xiàn)ly buck，半橋，全橋橋式，推挽式轉(zhuǎn)換器，PFC（功率因數(shù)校正）-升壓和電感-電感-電容器（LLC）以及許多其他器件。這些拓?fù)湟跃€性和非線性閉環(huán)控制方案（例如電壓模式控制，峰值/谷值/平均電流模式控制，磁滯模式等）實(shí)現(xiàn)或建模?？梢允褂肞Spice，TINA，Simplis，LT-Spice等工具開(kāi)發(fā)這些模型。

SMPS Spice瞬態(tài)模型開(kāi)發(fā)

SMPS瞬態(tài)模型開(kāi)發(fā)包括為包括電源開(kāi)關(guān)，誤差放大器，補(bǔ)償電路，比較器，鎖存器，振蕩器，斜率補(bǔ)償和其他關(guān)鍵特性的開(kāi)關(guān)環(huán)路開(kāi)發(fā)精確的香料模型。除工作環(huán)路外，其他重要功能還包括軟啟動(dòng)電路，模型較慢時(shí)的快速軟啟動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)器電路，峰值和谷值電感器電流限制，欠壓鎖定，打cup以及外部控制的功能（例如強(qiáng)制連續(xù)）傳導(dǎo)，頻率折返以及許多其他功能也已實(shí)現(xiàn)。

任何典型的DC / DC轉(zhuǎn)換器都會(huì)具有基本模塊，例如誤差放大器（運(yùn)放或Gm放大器），帶隙基準(zhǔn)電壓源，振蕩器，比較器，驅(qū)動(dòng)器和電源開(kāi)關(guān)以及保護(hù)電路（例如電流限制），在電壓鎖定下（ UVLO），短路保護(hù)等。SMPS的這些各個(gè)模塊都應(yīng)建模到所需的程度，并分別進(jìn)行驗(yàn)證。一旦完成了獨(dú)立的模塊驗(yàn)證，就完成了各個(gè)模型的系統(tǒng)級(jí)集成，并且通過(guò)粗調(diào)和精調(diào)完成了系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證，以匹配基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果。

針對(duì)測(cè)試平臺(tái)的基準(zhǔn)結(jié)果驗(yàn)證了開(kāi)發(fā)的宏模型，包括啟動(dòng)，輸入瞬態(tài)，穩(wěn)態(tài)和負(fù)載瞬態(tài)行為。所開(kāi)發(fā)的宏模型還針對(duì)故障情況進(jìn)行了驗(yàn)證，例如欠壓鎖定，電流限制以及正在開(kāi)發(fā)的集成電路模型特有的任何其他故障原因。

SMPS穩(wěn)態(tài)行為模型開(kāi)發(fā)

電源應(yīng)用設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)建模的另一個(gè)重要方面是開(kāi)關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)態(tài)行為模型開(kāi)發(fā)。這包括諸如開(kāi)關(guān)頻率模型，效率模型和穩(wěn)定性模型（傳遞函數(shù)）的開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證等方面。這些模型通常與上述Excel格式的模型一起作為物料清單（BOM）生成的設(shè)計(jì)計(jì)算器的一部分開(kāi)發(fā)。

運(yùn)算放大器和GM放大器模型的開(kāi)發(fā)

運(yùn)算放大器宏模型的開(kāi)發(fā)包括復(fù)制運(yùn)算放大器的特性，例如輸出阻抗，開(kāi)環(huán)增益（AOL），共模抑制比（CMRR），電源抑制比（PSRR），爪（VOUT相對(duì)于IOUT的變化），輸出失調(diào)電壓，壓擺率，響應(yīng)時(shí)間，輸入和輸出噪聲，靜電放電（ESD），限流等特性。這些建模功能針對(duì)基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，無(wú)論是單個(gè)模型單元還是累積運(yùn)算放大器模型。

帶隙參考模型開(kāi)發(fā)

帶隙參考宏模型開(kāi)發(fā)包括復(fù)制BGR（帶隙參考）特性，例如PSRR，線路瞬變，負(fù)載瞬變，壓降，線路調(diào)節(jié)，負(fù)載調(diào)節(jié)，靜態(tài)電流，輸出阻抗，電流限制，輸出電壓噪聲和輸入階躍響應(yīng)。這些建模的功能已針對(duì)基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，既可作為單個(gè)模型單元，也可以作為累積BGR模型進(jìn)行驗(yàn)證。

ADC模型開(kāi)發(fā)

ADC模型開(kāi)發(fā)包括引腳電流模型，瞬態(tài)仿真模型和時(shí)序圖模型開(kāi)發(fā)。這些建模的功能已針對(duì)基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，無(wú)論是單獨(dú)的模型單元還是累積的ADC模型。

其他宏模型

開(kāi)發(fā)的其他宏模型包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，柵極驅(qū)動(dòng)器，LED驅(qū)動(dòng)器，LDO和其他電氣集成電路，它們具有自己獨(dú)特的特征和特性，可以滿足設(shè)備功能的期望。功率開(kāi)關(guān)（例如MOSFET等）的宏模型也已開(kāi)發(fā)到一級(jí)到三級(jí)香料模型。這些模型需要IBIS模型開(kāi)發(fā)來(lái)進(jìn)行I / O緩沖器的表征，包括電流-電壓特性和電壓-時(shí)間特性。

宏模型開(kāi)發(fā)的優(yōu)勢(shì)包括：

• 減少仿真時(shí)間。
• 簡(jiǎn)化集成電路。
• 消除實(shí)驗(yàn)室要求。
• 減少設(shè)計(jì)周期時(shí)間。
• IP的保護(hù)。

引入了模型開(kāi)發(fā)作為工程學(xué)的關(guān)鍵部分。已經(jīng)詳細(xì)討論了模型開(kāi)發(fā)的需求及其優(yōu)勢(shì)。已經(jīng)討論了行為模型的類(lèi)型及其重要性。

Spice模型是生產(chǎn)發(fā)布（RTM）標(biāo)準(zhǔn)的一部分，以減少評(píng)估板分發(fā)的成本，并且可以對(duì)這些模型進(jìn)行少量修改就可以在不同的測(cè)試臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，而無(wú)需重新設(shè)計(jì)PCB。

參考

丹尼爾·哈特（Hart），丹尼爾·W（Daniel W.），電力電子，麥格勞-希爾（McGraw-Hill），2011年。

Basso，Christophe，設(shè)計(jì)線性和開(kāi)關(guān)電源的控制回路，Artech House，2015年。

編輯：hfy