電子系統變得越來越復雜。大多數復雜性來自集成電路，在進入市場之前，集成電路可能需要經過數年的設計和驗證周期。系統設計工程團隊在將IC開發到系統之前先對其進行評估。IC Macro模型可幫助系統設計人員在制作任何物理PCB之前，將這些設備理解，仿真并實現到系統中。這樣做可以為系統設計人員節省成本和時間，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（尤其是宏模型開發）的需求，利益和市場獲取方面。

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，近似和邊界條件來表示設備或系統特性的表示。行為建模也可以定義為一種將設計近似到某種程度的技術，在這種情況下，建模足夠簡化以減少復雜性和仿真時間，但仍保持系統輸入輸出特性的完整性。

模型幫助我們理解系統，不僅節省了理解系統的時間和精力。它還提供了相關信息，以消除冗余部分，只有被建模的設備/系統的設計人員才需要擔心。圖1顯示了典型MOSFET的幾種模型。

圖1MOSFET根據您的使用方式可以有幾種型號。

在功率電子學中，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，可以將飽和區域中的同一MOSFET建模（小信號）作為壓控電流源。這些模型均未定義MOSFET。但是，他們可以準確地描述這些應用中MOSFET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。

宏觀模型開發的需求

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。行為建模是工程設計的重要組成部分，因為它可以幫助工程師理解問題和所需的補救措施。通過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。對于IC制造商而言，將樣板PCB分發給每個潛在客戶既困難又昂貴。但是，模型是IC制造商可以輕松分發的加密軟件/模擬器可讀文件。

樣品PCB分布的另一個障礙來自以下事實：設計人員可能沒有復雜的實驗室設置來充分測試PCB。這也是對客戶流失的潛在威??脅，可以通過共享加密模型輕松解決。

在客戶實驗室成為原因的情況下，由于IP保護原因以及仿真時間問題，無法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臺進行完整的仿真。雖然可以開發出等效的宏模型，但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自身，但是在物理IC中情況并非如此。

宏觀模型開發
宏建模涉及為IC或系統的部分或全部開發模型。這是忽略系統/ IC行為的某些部分的技巧，同時要記住預期和需要建模的最終結果。可以添加功能以使模型越來越逼真。目的仍然是復制系統的輸入/輸出特性。例如，用作誤差放大器的開關電源（SMPS）中的運算放大器可以簡單地建模為具有高增益的壓控電壓源，然后是低頻的極點。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。如果諸如擺率之類的關鍵參數影響系統性能，則僅需添加該參數。這種選擇性特征建模還有助于減少仿真時間。在模擬宏模型開發的情況下，創建測試平臺以驗證針對硅片結果開發的模型也是同樣具有挑戰性的任務。

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宏模型的開發

圖2顯示了典型的開環DC-DC轉換器拓撲。

圖2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Buck，Boost，Buck-Boost，Inverting Buck Boost，Inverting Buck，Cuk，Sepic，Fly back，Fly buck，半橋，全橋橋式，推挽式轉換器，PFC（功率因數校正）-升壓和電感-電感-電容器（LLC）以及許多其他器件。這些拓撲以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，磁滯模式等）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瞬態模型開發包括為包括電源開關，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的開關環路開發精確的香料模型。除工作環路外，其他重要功能還包括軟啟動電路，模型較慢時的快速軟啟動電路，驅動器電路，峰值和谷值電感器電流限制，欠壓鎖定，打cup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也已實現。

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Gm放大器），帶隙基準電壓源，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），在電壓鎖定下（ UVLO），短路保護等。SMPS的這些各個模塊都應建模到所需的程度，并分別進行驗證。一旦完成了獨立的模塊驗證，就完成了各個模型的系統級集成，并且通過粗調和精調完成了系統級驗證，以匹配基準測試結果。

針對測試平臺的基準結果驗證了開發的宏模型，包括啟動，輸入瞬態，穩態和負載瞬態行為。所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。這包括諸如開關頻率模型，效率模型和穩定性模型（傳遞函數）的開發和驗證等方面。這些模型通常與上述Excel格式的模型一起作為物料清單（BOM）生成的設計計算器的一部分開發。

運算放大器和GM放大器模型的開發

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（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），限流等特性。這些建模功能針對基準測試結果進行了驗證，無論是單個模型單元還是累積運算放大器模型。

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。這些建模的功能已針對基準測試結果進行了驗證，既可作為單個模型單元，也可以作為累積BGR模型進行驗證。

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。這些建模的功能已針對基準測試結果進行了驗證，無論是單獨的模型單元還是累積的ADC模型。

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和其他電氣集成電路，它們具有自己獨特的特征和特性，可以滿足設備功能的期望。功率開關（例如MOSFET等）的宏模型也已開發到一級到三級香料模型。這些模型需要IBIS模型開發來進行I / O緩沖器的表征，包括電流-電壓特性和電壓-時間特性。

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。

引入了模型開發作為工程學的關鍵部分。已經詳細討論了模型開發的需求及其優勢。已經討論了行為模型的類型及其重要性。

Spice模型是生產發布（RTM）標準的一部分，以減少評估板分發的成本，并且可以對這些模型進行少量修改就可以在不同的測試臺上進行測試，而無需重新設計PCB。

參考

丹尼爾·哈特（Hart），丹尼爾·W（Daniel W.），電力電子，麥格勞-希爾（McGraw-Hill），2011年。

Basso，Christophe，設計線性和開關電源的控制回路，Artech House，2015年。

編輯：hfy