采用宏模型进行仿真电路和系统

印宁华|Indining China|

2022-08-12 13:09:21 12

电子系统变得越来越复杂。大部分复杂性来自IC—— IC 在进入市场之前可以经历数年的设计和验证周期。系统设计工程团队在将 IC 开发成系统之前对其进行评估。 IC 宏模型可帮助系统设计人员在创建物理 PCB 之前了解、模拟并将这些设备实施到他们的系统中。这为系统设计人员节省了成本和时间，同时保护了 IC 设计工程部门的设计 IP。本文详细介绍了行为模型开发，尤其是宏观模型开发的需求、收益和市场捕获方面。

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、近似和边界条件而对器件或系统特性进行的表示。行为建模也可以定义成一种近似设计的技术——在这种情况下，其已被简化到足以减少复杂性和仿真时间，但仍然能保持系统输入输出特性的完整性。

模型可以帮助我们理解系统，不仅可节省理解系统的时间和精力，而且还可提供相关信息，从而去除只有该器件/系统的建模设计人员才需要担心的多余部分。图1显示了几种典型MOSFET模型。

MOSFET根据使用方式的不同，可以有几种型号

在电力电子中，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，可以将处于饱和区域的相同MOSFET建模（小信号）为压控电流源。这些模型均未定义MOSFET。但是，它们可以准确地描述MOSFET在这些应用中的行为。

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。

需要宏模型开发

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。行为建模由于可以帮助工程师理解问题和所需的补救措施，因此是工程设计的重要组成部分。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到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。IC制造商很难将PCB样品分发给每个潜在客户，并且成本也高。但是，模型是一些加密软件/仿真器可读文件，这样IC制造商就可以轻松分发。

PCB样品分发还有一个障碍就是，设计人员可能没有先进的实验室设置来充分测试PCB。这也可能造成客户流失，而共享加密模型的方法却可以轻松解决。

如果是客户实验室的原因，由于IP保护原因和仿真时间问题，不可能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平台（test bench）进行完整的仿真。然而，可以开发出等效的宏模型，这样就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，但是在实际的IC中情况并非如此。

宏模型开发

宏建模涉及为IC或系统的一部分或全部开发模型。这是一种忽略部分系统/IC行为的技术，需要记住预期和需要建模怎样的最终结果。可以添加功能而使模型越来越逼真。目的仍然是复制系统的输入/输出特性。例如，开关模式电源（SMPS）中的运算放大器用作误差放大器，可以将其简单地建模为具有高增益的压控电压源，随后有一个低频极点。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。如果某个关键参数（例如压摆率）对系统性能有影响，则仅需添加该参数。这种选择性的功能建模还有助于减少仿真时间。在开发模拟宏模型的情况下，创建测试平台以验证针对芯片结果开发的模型，这项任务也同样具有挑战性。

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宏模型开发

图2显示了典型的开环DC-DC转换器拓扑。

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，例如降压、升压、升降压、反向升降压、反向降压、Cuk、Sepic、反激、Fly buck、半桥、全桥、推挽式转换器、PFC（功率因数校正）升压和LLC（电感、电感、电容器）等等。这些拓扑都已经用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、滞回模式等）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瞬态模型开发包括对开关回路（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）开发精确的Spice模型。除工作回路外，还有其他重要功能也已经实现，例如软启动电路、因应较慢模型的快速软启动电路、驱动器电路、峰值和谷值电感器电流限制、欠压锁定、打嗝，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。

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（运放或跨导放大器）、带隙基准、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、欠压锁定（UVLO）和短路保护等。SMPS的这些个别模块都应建模到所需的程度，并分别进行验证。一旦完成了独立模块验证，就完成了各个模型的系统级集成，并完成了系统级验证，并可以通过粗调和精调来匹配平台结果。

开发的宏模型针对测试平台的平台结果进行了验证，例如启动、输入瞬态、稳态和负载瞬态行为。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所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。这包括开关频率模型、效率模型，以及稳定性模型（传递函数）的开发和验证等方面。这些模型通常以Excel格式与上述模型一起开发成设计计算器的一部分，用于物料清单（BOM）生成。

运算放大器和跨导放大器模型开发

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（AOL）、共模抑制比（CMRR）、电源抑制比（PSRR）、爪型曲线（VOUT相对于IOUT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）、限流等功能。这些建模功能以单个模型单元和累积运算放大器模型形式针对平台结果进行了验证。

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。这些建模功能以单个模型单元和累积BGR模型形式针对平台结果进行了验证。

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。这些建模功能以单个模型单元和累积ADC模型形式针对平台结果进行了验证。

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和其他电子集成电路，它们具有自己的独特功能和特性，可以满足器件功能的期望。功率开关（例如MOSFET等）的宏模型也已开发到一级到三级Spice模型。这些模型需要针对I/O缓冲器特性（包括电流电压特性和电压时间特性）进行IBIS模型开发。

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。

模型开发是工程学的重要组成部分。模型开发的需求及其优势已进行了详细讨论，行为模型的类型及其重要性也已进行了讨论。

Spice模型是生产发布（RTM）标准的一部分，可以减少评估板分发的成本，并且只需要对这些模型进行少量修改，而无需重新设计PCB，就可以针对不同的测试平台进行测试。