高速轉(zhuǎn)換器和電源模塊給設(shè)計人員帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。盡可能降低開關(guān)損耗，同時妥善處理高dI/dt和快速dV/dt開關(guān)。

盡管采用氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 等技術(shù)先進(jìn)的材料已經(jīng)實現(xiàn)了超低導(dǎo)通電阻 (Ron)，但其他重要參數(shù)仍會影響設(shè)計。功率器件的精確仿真，包括相關(guān)參數(shù)和模型，有助于設(shè)計人員仔細(xì)設(shè)計尺寸并驗證其設(shè)計。

先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng) (ADS)

ADS 解決方案是一個集成的仿真和驗證環(huán)境，能夠仿真與高速和高 dI/dt 應(yīng)用相關(guān)的幾個關(guān)鍵因素，例如串?dāng)_、阻抗、電壓尖峰、EMI/EMC、諧振、熱分析、通孔電流、寄生電容、和更多?？梢允褂枚喾N仿真解決方案：完整的器件建模、封裝加芯片分析或模塊級分析。該工具包括電子元件、功率器件、焊線庫、調(diào)制開關(guān)、IGBT 等的擴(kuò)展庫。圖 1 顯示了使用 ADS 可以獲得哪種模擬和分析的概覽。

圖 1：ADS 包含一整套功率器件模型

例如，基于 EM 的模型用于通過矩量法參數(shù)估計提取封裝和板級寄生參數(shù)，通過有限差分時域方法模擬連接器，并且可以通過精確計算磁通量和 MMF。ADS 包括用于模擬柵極驅(qū)動器電路（IGBT、PowerMOS、SiC 和 GaN）的本機(jī)驅(qū)動器)，但也可以從第三方工具（PSPICE、LTspice、HSPICE、Verilog-A、VHDL 等）導(dǎo)入器件和子電路模型。ADS 的一個顯著特點是可以選擇電路板、封裝或模塊的布局表示，也可以選擇經(jīng)典的示意圖表示。這兩種方法都是可能的，并且兩種模擬都提供了有價值的結(jié)果。圖 2 顯示了一個非?；镜膬?nèi)置 ADS 原理圖，其中包含一個電感器及其電容、一個二極管和開關(guān) MOSFET。通過運行仿真，可以勾勒出電流回路和開關(guān)回路，其行為非常接近實際操作。

圖 2：電流回路：示意圖

當(dāng)然，電路可以變得更復(fù)雜：也可以構(gòu)建半橋、全橋或其他電源電路。協(xié)同仿真還可以包括電磁分析 (EM)，從而揭示可能遺漏的關(guān)鍵問題。關(guān)于僅原理圖仿真，與 EM 的電路聯(lián)合仿真可以很容易地檢測到效率下降和發(fā)射增加，指出布局對電路特性有影響。發(fā)生這種情況時，可能需要重新旋轉(zhuǎn)電路板，但該活動耗時、昂貴且需要調(diào)試。有時，最簡單的方法是添加 EMI 屏蔽，這是一種昂貴的解決方案，尤其是在大批量生產(chǎn)的情況下。使用 ADS 進(jìn)行 EM 電路協(xié)同仿真，版圖視圖和原理圖視圖結(jié)合在一起。

此外，矩量法為 PCB/封裝提供了速度和精度的最佳平衡。因此，可以共同模擬常規(guī)的類似 SPICE 的集總元素以及布局的效果。由于鍵合線或鍵合線陣列可以很容易地縫合，因此組件組裝速度非常快。圖形用戶界面允許從庫中拖放組件、插入接合線并選擇要縫合的形狀、長度和直徑。EM 仿真還可以導(dǎo)入其他平臺生成的設(shè)計布局（同時支持 ODB++ 和 Allegro Board File 格式）。3D 視圖功能增強(qiáng)了物理裝配，它可以更好地了解連接器、彈簧和其他組件在三個維度上的外觀。圖 3 顯示了 EM 電路協(xié)同仿真結(jié)果的示例。在右側(cè)，我們可以看到電路板布局，以及使用矩量技術(shù)方法執(zhí)行的電磁仿真結(jié)果。該工具還提供有關(guān)電路關(guān)鍵部分（例如通孔）的電流密度信息，幫助設(shè)計人員優(yōu)化布局。在圖 3 的左側(cè)，我們可以看到模擬和實際測量提供的結(jié)果之間的比較，參考開關(guān)節(jié)點電壓：它們實際上是相同的。

圖 3：EM 電路聯(lián)合仿真的結(jié)果

與傳統(tǒng)的仿真模型相比，ADS 可以提供更準(zhǔn)確的結(jié)果，仿真和測量之間的匹配度非常好。傳統(tǒng)模型生成的波形通常不匹配：不模擬振鈴/過沖（平線），并且波形受時序和轉(zhuǎn)換速率偏差的影響。應(yīng)該注意的是，精確的波形匹配對于噪聲計算至關(guān)重要，因為波形包含高頻分量。集成到 Advanced Design System 中的器件模型更加準(zhǔn)確，將 EM 仿真與基于數(shù)學(xué)模型的多項式模型集成在一起。例如，流行的“Angelov-GaN 模型”已被修改以更好地表示 SiC 或 GaN 行為，并且已經(jīng)獨立于器件物理參數(shù)。

實現(xiàn)高精度的其他工具是雙脈沖測試和源/測量系統(tǒng)。DPT 是雙脈沖測試系統(tǒng)，用于測量電源模塊的開關(guān)特性。SMU 是一種源/測量單元（有時稱為源監(jiān)視器單元），適用于需要高精度、高分辨率和測量靈活性的測試應(yīng)用。SMU 用于強(qiáng)制電壓或電流，同時測量電壓和電流。測量數(shù)據(jù)（也可以通過第三方測量設(shè)備獲?。┤缓笥杉傻?PEMG（電力電子模型生成器）軟件中的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行處理，從而生成適當(dāng)?shù)哪Ｐ蛥?shù)。然后可以在 ADS 中使用模型，提供精確的電路和 EM 仿真。如果您從代工廠制造設(shè)備，您會從他們那里獲得 PDK（工藝設(shè)計套件）。

結(jié)論

在高 dI/dt 時代，協(xié)同仿真是必須的。電磁仿真可以優(yōu)化開關(guān)損耗，并且可以通過寄生控制降低 EMI。電熱模擬允許優(yōu)化布局以實現(xiàn)更好的熱量分布，并有助于識別潛在問題或改進(jìn)。結(jié)果的準(zhǔn)確性非常重要，它嚴(yán)格依賴于用于模擬的模型。

審核編輯：郭婷