宏模型开发开发设计的仿真电路和系统

电子设计 2021-04-02 3059

描述

电子系统变得越来越复杂。大多数复杂性来自集成电路，在进入市场之前，集成电路可能需要经过数年的设计和验证周期。系统设计工程团队在将IC开发到系统之前先对其进行评估。IC Macro模型可帮助系统设计人员在制作任何物理PCB之前，将这些设备理解，仿真并实现到系统中。这样做可以为系统设计人员节省成本和时间，同时保护IC设计工程部门的设计IP。本文详细解释了行为模型开发（尤其是宏模型开发）的需求，利益和市场获取方面。

模型是通过数学方程式，等效电路，图表，图形或表格以及模型有效区域的推理，假设，近似和边界条件来表示设备或系统特性的表示。行为建模也可以定义为一种将设计近似到某种程度的技术，在这种情况下，建模足够简化以减少复杂性和仿真时间，但仍保持系统输入输出特性的完整性。

模型帮助我们理解系统，不仅节省了理解系统的时间和精力。它还提供了相关信息，以消除冗余部分，只有被建模的设备/系统的设计人员才需要担心。图1显示了典型MOSFET的几种模型。

IC设计

图1 MOSFET根据您的使用方式可以有几种型号。

在功率电子学中，我们可以将MOSFET建模为简单的压控开关。在模拟电路中使用时，可以将饱和区域中的同一MOSFET建模（小信号）作为压控电流源。这些模型均未定义MOSFET。但是，他们可以准确地描述这些应用中MOSFET的行为。

模拟电路和系统对行为建模提出了重大挑战。在数字系统中，我们可以简单地将模型转换为软件。

宏观模型开发的需求

行为建模在IC开发的设计前和设计后步骤中都占有一席之地。行为建模是工程设计的重要组成部分，因为它可以帮助工程师理解问题和所需的补救措施。通过在设计过程开始之前就详细描述行为，建模还有助于提高整体系统/设计性能。这有助于工程师在深入设计过程之前修改和增强设计。

设计后模型开发更为普遍，并且通常可供电路板和系统设计人员使用。在完成测试芯片的表征之后，制造商会发布仿真模型。这在许多方面都有帮助。对于IC制造商而言，将样板PCB分发给每个潜在客户既困难又昂贵。但是，模型是IC制造商可以轻松分发的加密软件/模拟器可读文件。

样品PCB分布的另一个障碍来自以下事实：设计人员可能没有复杂的实验室设置来充分测试PCB。这也是对客户流失的潜在威胁，可以通过共享加密模型轻松解决。

在客户实验室成为原因的情况下，由于IP保护原因以及仿真时间问题，无法与客户共享实际设计。开关模式电源转换器的全芯片布局后仿真通常需要数周的时间才能对一个测试台进行完整的仿真。虽然可以开发出等效的宏模型，但可以在几分钟内完成仿真，而不会影响器件/ IC的特性。

在宏建模的情况下，可以单独开发每个要建模的IC功能，并在最后将它们集成在一起。因此，在IC模型中，建模的每个参数都可以独立于模型的其余部分执行自身，但是在物理IC中情况并非如此。

宏观模型开发
宏建模涉及为IC或系统的部分或全部开发模型。这是忽略系统/ IC行为的某些部分的技巧，同时要记住预期和需要建模的最终结果。可以添加功能以使模型越来越逼真。目的仍然是复制系统的输入/输出特性。例如，用作误差放大器的开关电源（SMPS）中的运算放大器可以简单地建模为具有高增益的压控电压源，然后是低频的极点。输出失调，共模抑制比（CMRR），电源抑制比（PSRR）和压摆率等参数的重要性不高，可以忽略。如果诸如摆率之类的关键参数影响系统性能，则仅需添加该参数。这种选择性特征建模还有助于减少仿真时间。在模拟宏模型开发的情况下，创建测试平台以验证针对硅片结果开发的模型也是同样具有挑战性的任务。

可以为任何工程系统开发宏模型，以减少工作量，节省时间并保护设计知识产权（IP）。

行为和Spice宏模型的开发

图2显示了典型的开环DC-DC转换器拓扑。

IC设计

图2典型的开环DC-DC转换器拓扑。

开关模式电源转换器模型开发包括DC / DC和AC / DC转换器同步和异步拓扑，例如Buck，Boost，Buck-Boost，Inverting Buck Boost，Inverting Buck，Cuk，Sepic，Fly back，Fly buck，半桥，全桥桥式，推挽式转换器，PFC（功率因数校正）-升压和电感-电感-电容器（LLC）以及许多其他器件。这些拓扑以线性和非线性闭环控制方案（例如电压模式控制，峰值/谷值/平均电流模式控制，磁滞模式等）实现或建模。可以使用PSpice，TINA，Simplis，LT-Spice等工具开发这些模型。

SMPS Spice瞬态模型开发

SMPS瞬态模型开发包括为包括电源开关，误差放大器，补偿电路，比较器，锁存器，振荡器，斜率补偿和其他关键特性的开关环路开发精确的香料模型。除工作环路外，其他重要功能还包括软启动电路，模型较慢时的快速软启动电路，驱动器电路，峰值和谷值电感器电流限制，欠压锁定，打cup以及外部控制的功能（例如强制连续）传导，频率折返以及许多其他功能也已实现。

任何典型的DC / DC转换器都会具有基本模块，例如误差放大器（运放或Gm放大器），带隙基准电压源，振荡器，比较器，驱动器和电源开关以及保护电路（例如电流限制），在电压锁定下（ UVLO），短路保护等。SMPS的这些各个模块都应建模到所需的程度，并分别进行验证。一旦完成了独立的模块验证，就完成了各个模型的系统级集成，并且通过粗调和精调完成了系统级验证，以匹配基准测试结果。

针对测试平台的基准结果验证了开发的宏模型，包括启动，输入瞬态，稳态和负载瞬态行为。所开发的宏模型还针对故障情况进行了验证，例如欠压锁定，电流限制以及正在开发的集成电路模型特有的任何其他故障原因。

SMPS稳态行为模型开发

电源应用设计和PCB设计建模的另一个重要方面是开关模式电源转换器的稳态行为模型开发。这包括诸如开关频率模型，效率模型和稳定性模型（传递函数）的开发和验证等方面。这些模型通常与上述Excel格式的模型一起作为物料清单（BOM）生成的设计计算器的一部分开发。

运算放大器和GM放大器模型的开发

运算放大器宏模型的开发包括复制运算放大器的特性，例如输出阻抗，开环增益（A OL），共模抑制比（CMRR），电源抑制比（PSRR），爪（V OUT相对于I OUT的变化），输出失调电压，压摆率，响应时间，输入和输出噪声，静电放电（ESD），限流等特性。这些建模功能针对基准测试结果进行了验证，无论是单个模型单元还是累积运算放大器模型。

带隙参考模型开发

带隙参考宏模型开发包括复制BGR（带隙参考）特性，例如PSRR，线路瞬变，负载瞬变，压降，线路调节，负载调节，静态电流，输出阻抗，电流限制，输出电压噪声和输入阶跃响应。这些建模的功能已针对基准测试结果进行了验证，既可作为单个模型单元，也可以作为累积BGR模型进行验证。

ADC模型开发

ADC模型开发包括引脚电流模型，瞬态仿真模型和时序图模型开发。这些建模的功能已针对基准测试结果进行了验证，无论是单独的模型单元还是累积的ADC模型。

其他宏模型

开发的其他宏模型包括电机驱动器，栅极驱动器，LED驱动器，LDO和其他电气集成电路，它们具有自己独特的特征和特性，可以满足设备功能的期望。功率开关（例如MOSFET等）的宏模型也已开发到一级到三级香料模型。这些模型需要IBIS模型开发来进行I / O缓冲器的表征，包括电流-电压特性和电压-时间特性。

宏模型开发的优势包括：

减少仿真时间。
简化集成电路。
消除实验室要求。
减少设计周期时间。
IP的保护。

引入了模型开发作为工程学的关键部分。已经详细讨论了模型开发的需求及其优势。已经讨论了行为模型的类型及其重要性。

Spice模型是生产发布（RTM）标准的一部分，以减少评估板分发的成本，并且可以对这些模型进行少量修改就可以在不同的测试台上进行测试，而无需重新设计PCB。

参考

丹尼尔·哈特（Hart），丹尼尔·W（Daniel W.），电力电子，麦格劳-希尔（McGraw-Hill），2011年。

Basso，Christophe，设计线性和开关电源的控制回路，Artech House，2015年。

编辑：hfy

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