利用巨集模型來模擬電路和系統

作者: Vishwanath Tigadi,EDN

IC巨集模型可協助系統設計人員在製作任何物理PCB之前,對這些元件進行理解、模擬並在系統中實現。這樣做可以為系統設計人員減少成本和時間,同時保護IC設計工程部門的設計IP。本文詳細解釋了行為模型開發(尤其是巨集模型開發)的需求、利益和市場攻克等方面。

電子系統變得越來越複雜。大部分複雜性來自IC——在進入市場之前,它們可能需要經過數年的設計和驗證週期,系統設計工程團隊會在將IC開發到系統之前先對其進行評估。IC巨集模型可協助系統設計人員在製作任何物理PCB之前,對這些元件進行理解、模擬並在系統中實現。這樣做可以為系統設計人員減少成本和時間,同時保護IC設計工程部門的設計IP。本文詳細解釋了行為模型開發(尤其是巨集模型開發)的需求、利益和市場攻克等方面。

模型是透過數學方程式、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元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複雜性和模擬時間,但仍然能保持系統輸入輸出特性的完整性。

模型可以協助我們理解系統,不僅可節省理解系統的時間和精力,而且還可提供相關資訊,從而去除只有該元件/系統的建模設計人員才需要擔心的多餘部分。圖1顯示了幾種典型MOSFET模型。

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圖1 MOSFET根據使用方式的不同,可以有幾種型號。

在電力電子中,可以將MOSFET建模為簡單的壓控開關。在類比電路中使用時,可以將處於飽和區域的相同MOSFET建模(小訊號)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。

類比電路和系統對行為建模提出了重大挑戰。在數位系統中,可以簡單地將模型轉換為軟體。

需要巨集模型開發

行為建模在IC開發的設計前和設計後步驟中都佔有一席之地。行為建模由於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,建模還有助於提高整體系統/設計性能。這有助於工程師在深入到設計過程之前修改和增強設計。

設計後模型開發更為普遍,並且通常可供電路板和系統設計人員使用。在完成測試晶片的表徵之後,製造商會發佈模擬模型,這在許多方面都有幫助。IC製造商很難將PCB樣品分發給每個潛在客戶,並且成本也高,但是,模型是一些加密軟體/模擬器可讀文件,這樣IC製造商就可以輕鬆分發。

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,而共用加密模型的方法卻可以輕鬆解決。

如果原因出於客戶實驗室,由於IP保護的理由和模擬時間問題,不可能與客戶共用實際設計。開關模式電源轉換器的全晶片佈局後模擬通常需要數周的時間才能對一個測試平台(test bench)進行完整的模擬。然而,可以開發出等效的巨集模型,這樣就可以在幾分鐘內完成模擬,而不會影響元件/IC的特性。

在巨集建模的情況下,可以單獨開發每個要建模的IC功能,並在最後將它們整合在一起。因此,在IC模型中,建模的每個參數都可以獨立於模型的其餘部分執行,但是在實際的IC中情況並非如此。

巨集模型開發

巨集建模涉及為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,目的仍然是複製系統的輸入/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,隨後有一個低頻極點。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於減少模擬時間,在開發類比巨集模型的情況下,創建測試平台以驗證針對晶片結果開發的模型,這項任務也同樣具有挑戰性。

可以為任何工程系統開發巨集模型,以減少工作量、節省時間並保護設計IP。

行為和Spice巨集模型開發

圖2顯示了典型的開迴路(open loop)DC-DC轉換器拓撲。

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圖2 典型的開迴路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轉換器同步和非同步拓撲,例如降壓、升壓、升降壓、反向升降壓、反向降壓、Cuk、Sepic、返馳、Fly buck、半橋、全橋、推挽式轉換器、功率因數校正(PFC)升壓和LLC(電感、電感、電容)…等。這些拓撲都已經用線性和非線性閉迴路控制方案(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迴路(包括電源開關、誤差放大器、補償電路、比較器、鎖存器、振盪器、斜率補償和其他關鍵特性)開發精確的Spice模型。除工作迴路外,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組,例如誤差放大器(運算放大器或跨導放大器)、能隙基準、振盪器、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的這些個別模組都應建模到所需的程度,並分別進行驗證。一旦完成了獨立模組驗證,就完成了各個模型的系統級整合,並完成了系統級驗證,可以透過粗調和精調來匹配平台結果。

開發的巨集模型針對測試平台的基準結果進行了驗證,例如啟動、輸入瞬態、穩態和負載瞬態行為。開發的巨集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IC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(calculator)的一部分,用於物料清單(BOM)生成。

運算放大器和跨導放大器模型開發

運算放大器巨集模型的開發包括複製運算放大器的特性,例如輸出阻抗、開迴路增益(AOL)、共模抑制比、電源抑制比、爪型曲線(VOUT相對於IOUT的變化)、輸出失調電壓、壓擺率、迴應時間、輸入和輸出雜訊、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台結果進行了驗證。

能隙參考(BGR)模型開發

BGR巨集模型開發包括複製能BGR特性,例如電源抑制比、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、輸出電壓雜訊和輸入階躍迴應。這些建模功能以單個模型單元和累積BGR模型形式針對平台結果進行了驗證。

ADC模型開發

ADC模型開發包括引腳電流模型、瞬態模擬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模型形式針對平台結果進行了驗證。

其他巨集模型

開發的其他巨集模型包括馬達驅動器、閘極驅動器、LED驅動器、LDO和其他電子IC,它們具有自己的獨特功能和特性,可以滿足元件功能的期望。功率開關(例如MOSFET等)的巨集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緩衝器特性(包括電流電壓特性和電壓時間特性)進行IBIS模型開發。

巨集模型開發的優勢包括:

·減少模擬時間;

·簡化IC;

·消除實驗室要求;

·減少設計週期時間;

·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模型是生產發佈(RTM)標準的一部分,可以減少評估板分發的成本,並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台進行測試。

(參考原文: Macro models let engineers simulate circuits and systems,by Vishwanath Tigadi)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2020年2月號雜誌

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