電子系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜。大多數(shù)復(fù)雜性來自集成電路，在進入市場之前，集成電路可能需要經(jīng)過數(shù)年的設(shè)計和驗證周期。系統(tǒng)設(shè)計工程團隊在將IC開發(fā)到系統(tǒng)之前先對其進行評估。IC Macro模型可幫助系統(tǒng)設(shè)計人員在制作任何物理PCB之前，將這些設(shè)備理解，仿真并實現(xiàn)到系統(tǒng)中。這樣做可以為系統(tǒng)設(shè)計人員節(jié)省成本和時間，同時保護IC設(shè)計工程部門的設(shè)計IP。本文詳細解釋了行為模型開發(fā)（尤其是宏模型開發(fā)）的需求，利益和市場獲取方面。

模型是通過數(shù)學(xué)方程式，等效電路，圖表，圖形或表格以及模型有效區(qū)域的推理，假設(shè)，近似和邊界條件來表示設(shè)備或系統(tǒng)特性的表示。行為建模也可以定義為一種將設(shè)計近似到某種程度的技術(shù)，在這種情況下，建模足夠簡化以減少復(fù)雜性和仿真時間，但仍保持系統(tǒng)輸入輸出特性的完整性。

模型幫助我們理解系統(tǒng)，不僅節(jié)省了理解系統(tǒng)的時間和精力。它還提供了相關(guān)信息，以消除冗余部分，只有被建模的設(shè)備/系統(tǒng)的設(shè)計人員才需要擔(dān)心。圖1顯示了典型MOSFET的幾種模型。

圖1MOSFET根據(jù)您的使用方式可以有幾種型號。

在功率電子學(xué)中，我們可以將MOSFET建模為簡單的壓控開關(guān)。在模擬電路中使用時，可以將飽和區(qū)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(zhǔn)確地描述這些應(yīng)用中MOSFET的行為。

模擬電路和系統(tǒng)對行為建模提出了重大挑戰(zhàn)。在數(shù)字系統(tǒng)中，我們可以簡單地將模型轉(zhuǎn)換為軟件。

宏觀模型開發(fā)的需求

行為建模在IC開發(fā)的設(shè)計前和設(shè)計后步驟中都占有一席之地。行為建模是工程設(shè)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(shè)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(tǒng)/設(shè)計性能。這有助于工程師在深入設(shè)計過程之前修改和增強設(shè)計。

設(shè)計后模型開發(fā)更為普遍，并且通常可供電路板和系統(tǒng)設(shè)計人員使用。在完成測試芯片的表征之后，制造商會發(fā)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(fā)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(fā)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(shè)計人員可能沒有復(fù)雜的實驗室設(shè)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(shè)計。開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器的全芯片布局后仿真通常需要數(shù)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(fā)出等效的宏模型，但可以在幾分鐘內(nèi)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(fā)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(shù)都可以獨立于模型的其余部分執(zhí)行自身，但是在物理IC中情況并非如此。

宏觀模型開發(fā)
宏建模涉及為IC或系統(tǒng)的部分或全部開發(fā)模型。這是忽略系統(tǒng)/ IC行為的某些部分的技巧，同時要記住預(yù)期和需要建模的最終結(jié)果。可以添加功能以使模型越來越逼真。目的仍然是復(fù)制系統(tǒng)的輸入/輸出特性。例如，用作誤差放大器的開關(guān)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(diào)，共模抑制比（CMRR），電源抑制比（PSRR）和壓擺率等參數(shù)的重要性不高，可以忽略。如果諸如擺率之類的關(guān)鍵參數(shù)影響系統(tǒng)性能，則僅需添加該參數(shù)。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(fā)的情況下，創(chuàng)建測試平臺以驗證針對硅片結(jié)果開發(fā)的模型也是同樣具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

可以為任何工程系統(tǒng)開發(fā)宏模型，以減少工作量，節(jié)省時間并保護設(shè)計知識產(chǎn)權(quán)（IP）。

行為和Spice宏模型的開發(fā)

圖2顯示了典型的開環(huán)DC-DC轉(zhuǎn)換器拓撲。

圖2典型的開環(huán)DC-DC轉(zhuǎn)換器拓撲。

開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器模型開發(fā)包括DC / DC和AC / DC轉(zhuǎn)換器同步和異步拓撲，例如Buck，Boost，Buck-Boost，Inverting Buck Boost，Inverting Buck，Cuk，Sepic，F(xiàn)ly back，F(xiàn)ly buck，半橋，全橋橋式，推挽式轉(zhuǎn)換器，PFC（功率因數(shù)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(huán)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(xiàn)或建模。可以使用PSpice，TINA，Simplis，LT-Spice等工具開發(fā)這些模型。

SMPS Spice瞬態(tài)模型開發(fā)

SMPS瞬態(tài)模型開發(fā)包括為包括電源開關(guān)，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(guān)鍵特性的開關(guān)環(huán)路開發(fā)精確的香料模型。除工作環(huán)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(qū)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(xù)）傳導(dǎo)，頻率折返以及許多其他功能也已實現(xiàn)。

任何典型的DC / DC轉(zhuǎn)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(zhǔn)電壓源，振蕩器，比較器，驅(qū)動器和電源開關(guān)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(yīng)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(tǒng)級集成，并且通過粗調(diào)和精調(diào)完成了系統(tǒng)級驗證，以匹配基準(zhǔn)測試結(jié)果。

針對測試平臺的基準(zhǔn)結(jié)果驗證了開發(fā)的宏模型，包括啟動，輸入瞬態(tài)，穩(wěn)態(tài)和負載瞬態(tài)行為。所開發(fā)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(fā)的集成電路模型特有的任何其他故障原因。

SMPS穩(wěn)態(tài)行為模型開發(fā)

電源應(yīng)用設(shè)計和PCB設(shè)計建模的另一個重要方面是開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)態(tài)行為模型開發(fā)。這包括諸如開關(guān)頻率模型，效率模型和穩(wěn)定性模型（傳遞函數(shù)）的開發(fā)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(shè)計計算器的一部分開發(fā)。

運算放大器和GM放大器模型的開發(fā)

運算放大器宏模型的開發(fā)包括復(fù)制運算放大器的特性，例如輸出阻抗，開環(huán)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(diào)電壓，壓擺率，響應(yīng)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(zhǔn)測試結(jié)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(fā)

帶隙參考宏模型開發(fā)包括復(fù)制BGR（帶隙參考）特性，例如PSRR，線路瞬變，負載瞬變，壓降，線路調(diào)節(jié)，負載調(diào)節(jié)，靜態(tài)電流，輸出阻抗，電流限制，輸出電壓噪聲和輸入階躍響應(yīng)。這些建模的功能已針對基準(zhǔn)測試結(jié)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(fā)

ADC模型開發(fā)包括引腳電流模型，瞬態(tài)仿真模型和時序圖模型開發(fā)。這些建模的功能已針對基準(zhǔn)測試結(jié)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(fā)的其他宏模型包括電機驅(qū)動器，柵極驅(qū)動器，LED驅(qū)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(shè)備功能的期望。功率開關(guān)（例如MOSFET等）的宏模型也已開發(fā)到一級到三級香料模型。這些模型需要IBIS模型開發(fā)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(fā)的優(yōu)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(shè)計周期時間。
• IP的保護。

引入了模型開發(fā)作為工程學(xué)的關(guān)鍵部分。已經(jīng)詳細討論了模型開發(fā)的需求及其優(yōu)勢。已經(jīng)討論了行為模型的類型及其重要性。

Spice模型是生產(chǎn)發(fā)布（RTM）標(biāo)準(zhǔn)的一部分，以減少評估板分發(fā)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(shè)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(shè)計線性和開關(guān)電源的控制回路，Artech House，2015年。

編輯：hfy