采用宏模型進行仿真電路和系統

印寧華|Indining China|

2022-08-12 13:09:21 3

電子系統變得越來越復雜。大部分復雜性來自IC—— IC 在進入市場之前可以經歷數年的設計和驗證周期。系統設計工程團隊在將 IC 開發成系統之前對其進行評估。 IC 宏模型可幫助系統設計人員在創建物理 PCB 之前了解、模擬并將這些設備實施到他們的系統中。這為系統設計人員節省了成本和時間，同時保護了 IC 設計工程部門的設計 IP。本文詳細介紹了行為模型開發，尤其是宏觀模型開發的需求、收益和市場捕獲方面。

模型是通過數學方程式、等效電路、圖表、圖形或表格以及模型有效區域的推理、假設、近似和邊界條件而對器件或系統特性進行的表示。行為建模也可以定義成一種近似設計的技術——在這種情況下，其已被簡化到足以減少復雜性和仿真時間，但仍然能保持系統輸入輸出特性的完整性。

模型可以幫助我們理解系統，不僅可節省理解系統的時間和精力，而且還可提供相關信息，從而去除只有該器件/系統的建模設計人員才需要擔心的多余部分。圖1顯示了幾種典型MOSFET模型。

MOSFET根據使用方式的不同，可以有幾種型號

在電力電子中，我們可以將MOSFET建模為簡單的壓控開關。在模擬電路中使用時，可以將處于飽和區域的相同MOSFET建模（小信號）為壓控電流源。這些模型均未定義MOSFET。但是，它們可以準確地描述MOSFET在這些應用中的行為。

模擬電路和系統對行為建模提出了重大挑戰。在數字系統中，我們可以簡單地將模型轉換為軟件。

需要宏模型開發

行為建模在IC開發的設計前和設計后步驟中都占有一席之地。行為建模由于可以幫助工程師理解問題和所需的補救措施，因此是工程設計的重要組成部分。在設計過程開始之前就詳細描述行為，建模還有助于提高整體系統/設計性能。這有助于工程師在深入到設計過程之前修改和增強設計。

設計后模型開發更為普遍，并且通常可供電路板和系統設計人員使用。在完成測試芯片的表征之后，制造商會發布仿真模型。這在許多方面都有幫助。IC制造商很難將PCB樣品分發給每個潛在客戶，并且成本也高。但是，模型是一些加密軟件/仿真器可讀文件，這樣IC制造商就可以輕松分發。

PCB樣品分發還有一個障礙就是，設計人員可能沒有先進的實驗室設置來充分測試PCB。這也可能造成客戶流失，而共享加密模型的方法卻可以輕松解決。

如果是客戶實驗室的原因，由于IP保護原因和仿真時間問題，不可能與客戶共享實際設計。開關模式電源轉換器的全芯片布局后仿真通常需要數周的時間才能對一個測試平臺（test bench）進行完整的仿真。然而，可以開發出等效的宏模型，這樣就可以在幾分鐘內完成仿真，而不會影響器件/IC的特性。

在宏建模的情況下，可以單獨開發每個要建模的IC功能，并在最后將它們集成在一起。因此，在IC模型中，建模的每個參數都可以獨立于模型的其余部分執行，但是在實際的IC中情況并非如此。

宏模型開發

宏建模涉及為IC或系統的一部分或全部開發模型。這是一種忽略部分系統/IC行為的技術，需要記住預期和需要建模怎樣的最終結果。可以添加功能而使模型越來越逼真。目的仍然是復制系統的輸入/輸出特性。例如，開關模式電源（SMPS）中的運算放大器用作誤差放大器，可以將其簡單地建模為具有高增益的壓控電壓源，隨后有一個低頻極點。輸出失調、共模抑制比（CMRR）、電源抑制比（PSRR）和壓擺率等參數的重要性不高，可以忽略。如果某個關鍵參數（例如壓擺率）對系統性能有影響，則僅需添加該參數。這種選擇性的功能建模還有助于減少仿真時間。在開發模擬宏模型的情況下，創建測試平臺以驗證針對芯片結果開發的模型，這項任務也同樣具有挑戰性。

可以為任何工程系統開發宏模型，以減少工作量、節省時間并保護設計知識產權（IP）。

行為和Spice宏模型開發

圖2顯示了典型的開環DC-DC轉換器拓撲。

典型的開環DC-DC轉換器拓撲

開關模式電源轉換器模型開發包括DC/DC和AC/DC轉換器同步和異步拓撲，例如降壓、升壓、升降壓、反向升降壓、反向降壓、Cuk、Sepic、反激、Fly buck、半橋、全橋、推挽式轉換器、PFC（功率因數校正）升壓和LLC（電感、電感、電容器）等等。這些拓撲都已經用線性和非線性閉環控制方案（例如電壓模式控制、峰值/谷值/平均電流模式控制、滯回模式等）實現或建模。可以使用PSpice、TINA、Simplis、LT-Spice等工具開發這些模型。

SMPS Spice瞬態模型開發

SMPS瞬態模型開發包括對開關回路（包括電源開關、誤差放大器、補償電路、比較器、鎖存器、振蕩器、斜率補償和其他關鍵特性）開發精確的Spice模型。除工作回路外，還有其他重要功能也已經實現，例如軟啟動電路、因應較慢模型的快速軟啟動電路、驅動器電路、峰值和谷值電感器電流限制、欠壓鎖定、打嗝，以及外部控制的功能，例如強制連續傳導、頻率折返以及許多其他功能。

任何典型的DC/DC轉換器都會具有基本模塊，例如誤差放大器（運放或跨導放大器）、帶隙基準、振蕩器、比較器、驅動器和電源開關以及保護電路，例如電流限制、欠壓鎖定（UVLO）和短路保護等。SMPS的這些個別模塊都應建模到所需的程度，并分別進行驗證。一旦完成了獨立模塊驗證，就完成了各個模型的系統級集成，并完成了系統級驗證，并可以通過粗調和精調來匹配平臺結果。

開發的宏模型針對測試平臺的平臺結果進行了驗證，例如啟動、輸入瞬態、穩態和負載瞬態行為。開發的宏模型還針對故障情況進行了驗證，例如欠壓鎖定、電流限制，以及正在開發的集成電路模型所特有的任何其他故障原因。

SMPS穩態行為模型開發

電源應用設計和PCB設計建模的另一個重要方面是開關模式電源轉換器的穩態行為模型開發。這包括開關頻率模型、效率模型，以及穩定性模型（傳遞函數）的開發和驗證等方面。這些模型通常以Excel格式與上述模型一起開發成設計計算器的一部分，用于物料清單（BOM）生成。

運算放大器和跨導放大器模型開發

運算放大器宏模型的開發包括復制運算放大器的特性，例如輸出阻抗、開環增益（AOL）、共模抑制比（CMRR）、電源抑制比（PSRR）、爪型曲線（VOUT相對于IOUT的變化）、輸出失調電壓、壓擺率、響應時間、輸入和輸出噪聲、靜電放電（ESD）、限流等功能。這些建模功能以單個模型單元和累積運算放大器模型形式針對平臺結果進行了驗證。

帶隙參考模型開發

帶隙參考宏模型開發包括復制BGR（帶隙參考）特性，例如PSRR、線路瞬變、負載瞬變、壓降、線路調節、負載調節、靜態電流、輸出阻抗、電流限制、輸出電壓噪聲和輸入階躍響應。這些建模功能以單個模型單元和累積BGR模型形式針對平臺結果進行了驗證。

ADC模型開發

ADC模型開發包括引腳電流模型、瞬態仿真模型和時序圖模型開發。這些建模功能以單個模型單元和累積ADC模型形式針對平臺結果進行了驗證。

其他宏模型

開發的其他宏模型包括電機驅動器、柵極驅動器、LED驅動器、LDO和其他電子集成電路，它們具有自己的獨特功能和特性，可以滿足器件功能的期望。功率開關（例如MOSFET等）的宏模型也已開發到一級到三級Spice模型。這些模型需要針對I/O緩沖器特性（包括電流電壓特性和電壓時間特性）進行IBIS模型開發。

宏模型開發的優勢包括：

?減少仿真時間；

?簡化集成電路；

?消除實驗室要求；

?減少設計周期時間；

?IP的保護。

模型開發是工程學的重要組成部分。模型開發的需求及其優勢已進行了詳細討論，行為模型的類型及其重要性也已進行了討論。

Spice模型是生產發布（RTM）標準的一部分，可以減少評估板分發的成本，并且只需要對這些模型進行少量修改，而無需重新設計PCB，就可以針對不同的測試平臺進行測試。