宏型型号让工程师模拟电路和系统

文章作者：Vishwanath Tigadi

电子系统越来越复杂。许多复杂性来自于集成电路，在进入市场之前，集成电路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宏模型有助于系统设计者在制作任何物理PCB之前理解、模拟并将这些设备应用到系统中。这样做可以降低系统设计者的成本和时间，同时保护IC设计工程单位的设计IP。本文详细解释了行为模型开发的需求、好处和市场捕获方面，特别是宏观模型开发。

模型是通过数学方程、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。行为建模也可以被定义为一门艺术，它将设计简化到足以减少复杂性和模拟时间，但仍然保持系统输入输出特性的完整性。万博投注网址

模型帮助我们了解系统，不仅节省了了解系统的时间和精力;它还提供了蚀刻冗余部分的相关信息，该冗余部分只有所建模的设备/系统的设计者需要担心。图1显示了典型MOSFET的几个模型。

在电力电子学中，我们可以将MOSFET简单地建模为一个压控开关。在模拟电路中，饱和区域的相同MOSFET可以被建模(小信号)作为压控电流源。这两种模型都不能定义MOSFET。然而，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翻译成软件。

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。建模还有助于在设计过程开始之前详细描述行为，从而提高整体系统/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。

设计后模型开发更常见，通常可供董事会和系统设计师提供。测试芯片表征完成后，制造商释放仿真模型。这有助于许多群众。IC制造商对每个潜在客户分发样本PCB是困难和昂贵的。但是，模型是加密的软件/模拟器可读文件，即IC制造商可以轻松分发。

样本PCB分布的另一个障碍来自这样一个事实，即设计者可能没有复杂的实验室设置来充分测试PCB。这也是客户流失的潜在威胁，可以通过共享加密模型轻松解决。

在客户实验室是一个原因的情况下，不可能与客户分享实际设计，以仿照IP保护原因以及模拟时间问题。万博投注网址开关模式电源转换器的全芯片后布局仿真通常需要数周才能运行一个测试台的完整模拟。虽然，可以开发等效的宏型模型可以在几分钟内模拟，而不会影响设备/ IC的特性。

在宏建模的情况下，每个要建模的IC特征可以单独开发，并在最后集成在一起。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，但在物理IC中则不可能如此。

宏观模型开发

宏建模涉及为IC或系统的部分或整体开发模型。这是一种忽略部分系统/IC行为的艺术，记住预期的最终结果和需要建模的结果。可以添加特征以使模型越来越逼真。目标仍然是复制系统输入/输出特性。例如，开关电源（SMPS）中用作误差放大器的运算放大器可以简单地建模为具有高增益的电压控制电压源，然后是低频极。输出偏移、共模抑制比（CMRR）、电源抑制比（PSRR）和转换率等参数的重要性较低，可以忽略。如果回转率等关键参数影响系统行为，则只需添加该参数。这种选择性特征建模也有助于减少模拟时间。在模拟宏模型开发的情况下，创建测试台以验证根据硅结果开发的模型也是一项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、节省时间和保护设计知识产权（IP）。

行为和Spice宏模型开发

图2显示典型的开环DC-DC转换器拓扑。

开关模式功率变换器的模型开发包括DC/DC和AC/DC变换器的同步和异步拓扑，如Buck, Boost, Buck-Boost, Inverting Buck Boost, Inverting Buck, Cuk, Sepic, Fly back, Fly Buck, half bridge, Full bridge，推挽变换器，PFC(功率因数校正)-升压和电感-电感-电容(LLC)等。这些拓扑可以在线性和非线性闭环控制方案中实现或建模，如电压模式控制、峰谷/平均电流模式控制、滞后模式等。这些模型可以在PSpice、TINA、Simplis、LT-Spice等工具中开发。

SMPS Spice瞬态模型开发

SMPS瞬态模型开发包括开发用于切换环路的精确香料模型，包括电源开关，误差放大器，补偿电路，比较器，锁存器，振荡器，斜率补偿和其他至关重要的功能。随着运行回路，诸如软启动电路等其他重要特征，在较慢的型号的情况下快速软启动电路，驱动电路，峰值和谷电感电流限制，在电压锁定下，打嗝以及外部控制功能，如强制连续的外部控制功能还实施了传导，频率折叠和许多其他。

任何典型的DC / DC转换器都有基本块，如误差放大器（OP-AMP或GM放大器），带隙参考，振荡器，比较器，驱动器和电源开关以及电压锁定等保护电路，如电压锁定（UVLO），短路保护等。这些SMP的各个块将被建模到所需的程度并单独验证。完成独立块验证后，完成各个模型的系统级集成，并使用粗略和精细调整完成系统级验证以匹配板凳结果。

宏模型的开发是验证了试验台的台架结果，包括启动，输入瞬态，稳态和负载瞬态行为。开发的宏模型也验证了故障情况，如电压不足锁定，电流限制和任何其他故障原因特定的集成电路模型正在开发。

开关电源稳态行为模型开发

电源应用设计和PCB设计建模的另一个重要方面是开关电源变换器稳态行为模型的开发。这包括开关频率模型、效率模型和稳定性模型(传递函数)的开发和验证等方面。这些模型通常是作为设计计算器的一部分开发的，用于生成材料清单(BOM)，与上述Excel格式的模型一起。

OP-AMP和GM放大器模型开发

运算放大器宏模型开发包括复制运算放大器特性，如输出阻抗、开环增益（A_OL)、共模抑制比(CMRR)、电源抑制比(PSRR)、爪形抑制比(V_出关于我_出），输出偏移电压，转换速率，响应时间，输入和输出噪声，静电放电（ESD），电流限制等特征。这些建模特征根据单独的模型单元以及累积OP-AMP模型验证。

带隙参考模型开发

带隙参考宏模型开发包括复制BGR（带间隙参考）特性，如PSRR，线路瞬变，负载瞬变，丢弃电压，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。建模的这些功能与单独的模型单元以及累积BGR模型的替补结果验证。

ADC模型开发

ADC模型开发包括引脚电流模型、暂态仿真模型和时序图模型的开发。这些被建模的特征被作为单个模型单元和累积ADC模型的测试结果验证。

其他宏观模型

开发的其他宏模型包括电机驱动器、门驱动器、LED驱动器、LDOs和其他电子集成电路，这些电路具有自己独特的特性和建模特性，以满足设备功能的期望。功率开关如mosfet等的宏观模型也发展到一级到三级spice模型的程度。这些模型需要IBIS模型开发用于I/O缓冲区特性，包括电流-电压特性和电压-时间特性。

宏观模型开发的优势包括：

介绍了模型开发作为工程的关键部分。需要模型开发及其优点。讨论了行为模型的类型及其意义。

Spice模型作为发布到制造(RTM)标准的一部分，以减少分配评估板的成本，这些模型可以在不同的测试台上进行测试，只需稍加修改，而无需重新设计PCB。