Wie werden Schaltungen, die komplexe ICs verwenden, normalerweise simuliert?

Ich verstehe, dass es in der Elektronik üblich ist, eine Schaltung in einem Gewürzprogramm vor dem Erstellen zu simulieren. Manchmal erfordert ein Projekt die Verwendung komplexer ICs, beispielsweise eines ICs, das die Ladesteuerung für eine Li-Po-Batterie durchführt, oder eines ICs, das als PWM-Controller fungiert. Hersteller stellen im Allgemeinen keine Gewürzmodelle dieser Art komplexer Komponenten zur Verfügung. Ich würde gerne von Elektronikingenieuren / Designern erfahren, was sie in dieser Situation tun. Wie simuliert man eine solche Schaltung? Oder geht es eher darum, mit den Hersteller-Designs zu arbeiten, die im Anwendungsbereich des Datenblattes angegeben sind, und darauf zu vertrauen, dass die Designs funktionieren. Vielleicht abstrahieren Sie diese ICs und simulieren andere Teile Ihrer Schaltung mit der Art des Ausgangssignals, das sie liefern würden?

Ich würde mich über praktische Beispiele aus Ihrer Erfahrung mit elektronischem Design freuen, um zu veranschaulichen, wie Sie die Simulation von Schaltkreisen durchführen, die Standard-ICs verwenden, für die keine Gewürzmodelle verfügbar sind.

Nach meiner Erfahrung ist der weit verbreitete Einsatz der Simulation ganzer Boards ein Mythos außerhalb der physikalischen Simulationen in RF.

Simulationsregeln für das IC-Design natürlich, weil die Kosten für das Prototyping so verrückt sind und für alles, was das HDL-Design betrifft, aber für die allgemeine Elektronik nicht so sehr.

Wo die Simulation wirklich hilft, ist bei Dingen wie Filtern und Regelkreisen, wo Sie wirklich sicherstellen möchten, dass die Haltepunkte und Phasenverschiebungen Ihren Erwartungen entsprechen. Dies sind jedoch in der Regel kleine Flecken von etwa einem halben Dutzend Teilen, die Sie isoliert simulieren können .

Versuche, eine ganze Platine mit angemessener Komplexität zu simulieren, scheitern in der Regel entweder an der numerischen Stabilität oder nur an der Laufzeit, die explodiert, sobald Sie beginnen, angemessene Parasiten hinzuzufügen.

Im Allgemeinen simulieren Sie die Bits, bei denen Sie sich nicht sicher sind, was in der Regel weniger als 10% eines Designs ausmacht (der Rest ist "Datenblatt-Engineering" für Netzteile und E / A-Komponenten).

Obwohl es viele Tools gibt, sind die beiden Hauptformen der Simulation analog ( z. B. SPICE, LTSPICE oder Simetrix ) und signalintegr (mit etwas wie Hyperlynx, wenn Sie sehr tiefe Taschen haben).

Es gibt Leistungsanalysewerkzeuge, aber ich habe einige sehr merkwürdige Ergebnisse gesehen, die anscheinend nicht mit der physischen Realität gleichzusetzen sind.

Es gibt gemischte Signalwerkzeuge, obwohl die digitale Seite dazu neigt, sich zu verhalten.

Die Probleme, auf die wir stoßen, sind:

1 Für das Teil ist kein Simulationsmodell vorhanden. Wenn Sie ein vollständiges Datenblatt haben, können Sie einen ordentlichen Stich beim Rollen Ihrer eigenen machen oder ein Teil verwenden, das ein Modell hat. Es ist sehr zeitaufwändig, ein eigenes Modell für etwas Nicht-Triviales zu rollen.

Beachten Sie, dass alles, was über ein Grundelement (Diode, Transistor oder einfaches passives Element) hinausgeht, ein Verhaltensmodell ist , das den Gerätebetrieb im kontinuierlichen Zustand widerspiegelt. In diesem Anwendungshinweis finden Sie Informationen zu den tatsächlichen Eigenschaften eines solchen Modells. Beachten Sie, dass Dinge wie Ferrite und Drosseln sehr komplex sind. Obwohl sie als Schaltung modelliert werden können (um die Antwort im Datenblatt zu erhalten), kann dies sehr zeitaufwändig sein.

2 Laufzeit. Ich simuliert die gesamte Strompfad für einen Schleudersitz , die einschließen EEDs und thermische Batterien als Teil einer unabhängigen Sicherheitsüberprüfung der Sequenzer - Elektronik. Da die Kabel zu den Steuer- und Zündkreisen recht lang waren, wurden sie als lose gekoppelte Transformatorwicklungen modelliert. Die Schaltung enthielt vielleicht 40 Elemente und benötigte (auf einer High-End-Maschine mit mehreren Kernen) über 30 Stunden , um einen einzelnen vorübergehenden Lauf durchzuführen.

3 Einige Teile der Schaltung eignen sich nicht wirklich für die Simulation oder sollten sie nicht benötigen. Wenn ich eine einfache optisch gekoppelte Isolationsstufe zum Umschalten eines Steuerschalters habe, sollte keine Simulation erforderlich sein, wenn die Datenblätter ordnungsgemäß verwendet wurden (dies ist natürlich ein völlig anderes Thema, da ich viele Entwürfe gesehen habe, bei denen dies nicht der Fall war). .

4 In der Signalintegrität Simulation, die meisten Simulatoren nehmen Sie nicht zu berücksichtigen , dass kontrolliert Impedanzen +/- 10% im besten Fall , und wird Schicht um Schicht variieren. Solche Simulationen sind nützlich, um grobe Probleme zu erkennen, aber Sie können immer noch von solchen Details gebissen werden. Außerdem können die meisten Simulatoren den Rückweg nicht modellieren (obwohl die Simulationen nach dem Layout immer besser werden).

5 Praktisch alle Simulationsmodelle sind Kompromisse , um den häufigsten Anwendungsfall widerzuspiegeln. Ich musste die Modelle erheblich modifizieren, um das Verhalten des Eckgehäuses zu erkennen.

Ein Vollplatinen- (oder häufig Mehrplatinen-) System wäre zeitlich unerschwinglich, sodass nur die Teile simuliert werden, die wir überprüfen möchten.

Ein weiteres Problem ist, dass bei Makromodellen das Startverhalten in vielen Fällen undefiniert ist und kein Simulator auf der Welt hilft, wenn das Startverhalten kritisch ist (wie es bei flugsicherheitskritischen Geräten der Fall sein kann) - Sie müssen nur messen es.

Simulationen können Konstrukteuren sicherlich helfen, aber sie sind nicht annähernd perfekt und sollten nicht für den tatsächlichen Schaltungsbetrieb herangezogen werden. Sie zeigen den Schaltungsbetrieb an.

Bei der Verwendung solcher ICs folge ich häufig dem "Kochbuch" des Herstellers. Dies sollte in den meisten Fällen zu einem funktionierenden Schaltkreis führen, und häufig haben Sie einen Schaltkreis, den Sie mehr oder weniger unverändert in Ihr Design integrieren können.

In einigen Fällen baue ich aber auch ein SPICE-Modell für einen Teil der Schaltung mit seinen externen Komponenten. ZB Rückkopplungsfrequenzgang in einem Spannungsregler, Komparatoreingänge mit intern geschalteten Stromquellen. In diesen Fällen verwende ich ideale Elemente aus der Spice-Bibliothek und füge die angegebenen Merkmale aus dem Datenblatt hinzu, z. B. Eingangsleckstrom, Kapazität, ESD-Dioden. Für digitale Hochgeschwindigkeitsgeräte bietet der Hersteller häufig sogenannte IBIS-Modelle an, die das elektrische Verhalten der Ein- / Ausgänge modellieren. Dies ermöglicht Signalintegritätsanalysen (die die Leiterplatte als Komponente enthalten können).

Während es im Allgemeinen wahr sein kann, dass Sie häufig keine komplexeren SPICE-Modelle zur Verfügung haben, möchte ich ausnahmsweise Linear Technology / LTspice erwähnen, sie bieten Modelle für ICs wie PWM-Controller. Andere Hersteller bieten Ihnen web- oder spreadsheetbasierte Designtools an, mit denen Sie zB Effizienzberechnungen durchführen können.

Ich verstehe, dass es in der Elektronik üblich ist, eine Schaltung in einem Gewürzprogramm vor dem Erstellen zu simulieren.

Ich habe nicht gesehen, dass eine Ganzplattensimulation verwendet wird, außer für kleine, einfache Schaltungen. Stattdessen wird die gesamte Platine in Teilen analysiert, und für jedes Teil werden die geeignetsten Methoden verwendet. Beispielsweise könnte ein typisches Mikrocontroller-basiertes System folgendermaßen analysiert werden:

• Das Schaltnetzteil würde in SPICE simuliert
• Batterieladegerät basierend auf IC würde basierend auf Datenblatt und manuellen Berechnungen entworfen
• Mikrocontroller würden gemäß Datenblatt oder Hersteller-Schaltplan angeschlossen
• Die Funkantenne würde in einem speziellen HF-Simulator simuliert oder gemäß den Spezifikationen entworfen, die ein Hersteller bereits verifiziert hat

Und alle Einschränkungen zwischen den Teilen werden manuell überprüft, z. B. "Mikrocontroller benötigt mindestens 200-mA-Versorgung" und "SMPS muss 500-mA-Last verarbeiten".

Aufgrund meiner begrenzten Erfahrung habe ich festgestellt, dass ich nicht das gesamte System simulieren muss. Im Allgemeinen gibt es nur einen kleinen Teil der Schaltung, der schwer zu verstehen ist. Und dafür reicht in der Regel die Demoversion von spice. Ebenso ist bei der Finite-Elemente-Modellierung nur ein kleiner Teil der Antennenstruktur schwer zu verstehen, sodass die Demoversion von FEMAP ausreicht.

In Bezug auf Ihr spezielles Simulationsproblem verfügt Spice über Vorkehrungen, mit denen Sie Ihr eigenes Modell eines beliebigen Geräts erstellen können. Leider erfordert dies ein etwas tieferes Verständnis, um gute Ergebnisse zu erzielen, aber es kann getan werden. (Ich erinnere mich nicht, ob die Demoversion von Spice dies unterstützt.)