Come vengono simulati i circuiti che utilizzano circuiti integrati complessi?

Capisco che è pratica comune nella progettazione elettronica simulare un circuito in un programma di spezie prima di costruirlo. A volte un progetto richiede l'uso di circuiti integrati complessi, ad esempio un circuito integrato che esegue il controllo della carica per una batteria Li-Po o un circuito integrato che funge da controller PWM. I produttori in genere non rendono disponibili modelli di spezie di questo tipo di componenti complessi. Vorrei scoprire da qualsiasi ingegnere / designer elettronico cosa fanno in questa situazione. Come si simula un tale circuito? O è più un caso di lavorare con i disegni del produttore forniti nella sezione dell'applicazione del foglio dati e fidarsi che i disegni funzioneranno. Forse astrarre questi circuiti integrati e simulare altre parti del circuito con il tipo di segnale in uscita che fornirebbero?

Gradirei qualsiasi esempio pratico del mondo reale dalla tua esperienza nella progettazione elettronica per illustrare il modo in cui approcci la simulazione di circuiti che utilizzano circuiti integrati standard che non dispongono di modelli di spezie.

Nella mia esperienza, l'uso diffuso della simulazione di intere schede è principalmente un mito al di fuori delle simulazioni fisiche in RF.

Regole di simulazione per la progettazione di circuiti integrati, ovviamente, perché i costi di prototipazione sono così folli e per tutto ciò che riguarda la progettazione HDL, ma per l'elettronica generale, non così tanto.

Dove la sim aiuta davvero è per cose come filtri e circuiti di controllo in cui vuoi davvero assicurarti che i punti di interruzione e gli sfasamenti siano quelli che ti aspettavi, ma questi sono in genere un piccolo blob di una mezza dozzina di parti che puoi simulare in isolamento .

I tentativi di simulare un'intera scheda di ragionevole complessità tendono a fallire o sulla stabilità numerica o semplicemente sul tempo di esecuzione, che esplode quando si inizia ad aggiungere parassiti ragionevoli.

Generalmente simuli i bit di cui non sei sicuro, che di solito è inferiore al 10% di un progetto (il resto è "ingegneria della scheda tecnica" di alimentatori e materiale IO).

Sebbene esistano molti strumenti, le due forme primarie di simulazione sono analogiche (SPICE, LTSPICE o Simetrix per esempio) e integrità del segnale (con qualcosa come Hyperlynx se hai tasche molto profonde).

Esistono strumenti di analisi della potenza, ma ho visto alcuni risultati molto strani che apparentemente non corrispondono alla realtà fisica.

Esistono strumenti di segnale misti, sebbene il lato digitale tenda ad essere comportamentale.

I problemi che incontriamo sono:

1 Non esiste un modello di simulazione per la parte. Se si dispone di una scheda tecnica completa si può fare una pugnalata decente a rotolare il proprio o utilizzare una parte che fa avere un modello. Realizzare il tuo modello per qualcosa di non banale è un esercizio che richiede molto tempo.

Si noti che qualsiasi cosa al di là di una primitiva (diodo, transistor o semplice passivo) è un modello comportamentale che riflette il funzionamento del dispositivo nello stato continuo. Vedi questa nota applicativa per ciò che è effettivamente in un tale modello. Si noti che cose come ferriti e strozzature sono molto complesse; sebbene possano essere modellati come un circuito (per ottenere la risposta nel foglio dati) può richiedere molto tempo.

2 Tempo di esecuzione. Ho simulato l'intero percorso di alimentazione di una sede di espulsione per includere gli EED e le batterie termiche come parte di una revisione di sicurezza indipendente dell'elettronica del sequencer. Dato che i cavi per i circuiti di controllo e di accensione erano piuttosto lunghi, sono stati modellati come avvolgimenti del trasformatore accoppiati in modo lasco. Il circuito conteneva forse 40 elementi e impiegava (su una macchina multi-core di fascia alta) più di 30 ore per eseguire una singola corsa transitoria.

3 Alcune parti del circuito non sono realmente adatte alla simulazione o non dovrebbero averne bisogno. Se ho un semplice stadio di isolamento accoppiato per commutare un interruttore di controllo, non dovrebbe essere necessaria la simulazione se le schede tecniche sono state usate correttamente (ovviamente, si tratta di un argomento completamente diverso dal momento che ho visto molti progetti in cui non era il caso) .

4 simulazione In integrità del segnale, la maggior parte dei simulatori non tenere conto che impedenze controllate sono +/- 10% al massimo, e sarà variare strato per strato. Tali simulazioni sono utili per vedere problemi grossolani, ma puoi ancora essere morso da tali dettagli. Inoltre, la maggior parte dei simulatori non può modellare il percorso di ritorno (anche se le simulazioni post layout stanno migliorando).

5 Praticamente tutti i modelli di simulazione sono compromessi per riflettere il caso d'uso più comune; Ho dovuto modificare i modelli in modo significativo per vedere il comportamento del caso d'angolo.

Un sistema a pensione completa (o spesso multi-scheda) sarebbe proibitivo in termini di tempo per essere effettivamente eseguito, quindi solo le parti che siamo interessati a controllare sono simulate.

Un altro problema è che per i macromodelli, il comportamento all'avvio è indefinito in molti casi e nessun simulatore al mondo può aiutare se il comportamento all'avvio è critico (come può essere nelle apparecchiature critiche per la sicurezza del volo): è sufficiente misurare esso.

Le simulazioni possono certamente aiutare i progettisti, ma non sono affatto vicine alla perfezione e non dovrebbero essere invocate per l' effettivo funzionamento del circuito; sono indicativi del funzionamento del circuito.

Quando utilizzo tali circuiti integrati, mi ritrovo spesso a seguire il "libro di cucina" del produttore. Ciò dovrebbe portare a un circuito funzionante nella maggior parte dei casi e spesso hai un circuito che puoi integrare più o meno nel tuo progetto così com'è.

Ma in alcuni casi, costruisco anche un modello SPICE per una parte del circuito con i suoi componenti esterni. Ad esempio risposta in frequenza del circuito di retroazione in un regolatore di tensione, ingressi di confronto con sorgenti di corrente commutate internamente. In questi casi utilizzo elementi ideali della libreria Spice e vi aggiungo le caratteristiche specificate dal foglio dati, ad esempio perdite di ingresso, capacità, diodi ESD. Per i dispositivi digitali ad alta velocità, il produttore fornisce spesso i cosiddetti modelli IBIS, che modellano il comportamento elettrico degli ingressi / uscite. Ciò consente analisi di integrità del segnale (che può includere il PCB come componente).

Mentre in genere può essere vero che spesso non troverai disponibili modelli SPICE più complessi, vorrei citare Linear Technology / LTspice come eccezione, ma forniscono modelli per circuiti integrati come i controller PWM. Altri produttori offrono strumenti di progettazione basati su Web o fogli di calcolo che consentono, ad esempio, calcoli di efficienza.

Capisco che è pratica comune nella progettazione elettronica simulare un circuito in un programma di spezie prima di costruirlo.

Non ho mai visto la simulazione della scheda intera ad eccezione dei circuiti piccoli e semplici. Al contrario, l'intera scheda viene analizzata in parti e vengono utilizzati i metodi più appropriati per ciascuna parte. Ad esempio, un tipico sistema basato su microcontrollore potrebbe essere analizzato in questo modo:

• L'alimentazione in modalità di commutazione verrebbe simulata in SPICE
• Il caricabatterie basato su IC sarebbe progettato in base al foglio dati e ai calcoli manuali
• Il microcontrollore sarebbe collegato secondo la scheda tecnica o lo schema di esempio del produttore
• L'antenna radio verrebbe simulata in un simulatore RF specializzato o progettata secondo le specifiche che un produttore ha già verificato

E tutti i vincoli tra le parti verrebbero verificati manualmente, ad esempio "il microcontrollore necessita di un'alimentazione di almeno 200 mA" e "SMPS deve gestire un carico di 500 mA".

Nella mia esperienza limitata, ho scoperto che non ho bisogno di simulare un intero sistema. In generale, c'è solo una piccola parte del circuito che è difficile da capire. E per questo, la versione demo di Spice è di solito sufficiente. Allo stesso modo, nella modellazione ad elementi finiti, c'è solo una piccola parte della struttura dell'antenna che è difficile da capire, quindi la versione demo di FEMAP è sufficiente.

Per quanto riguarda il tuo particolare problema di simulazione, Spice ha delle disposizioni per costruire il tuo modello di qualsiasi dispositivo ti piaccia. Purtroppo, ciò richiede una comprensione un po 'più profonda per ottenere buoni risultati, ma può essere fatto. (Non ricordo se la versione demo di Spice lo supporta.)