Jak zwykle symulowane są obwody wykorzystujące złożone układy scalone?

Rozumiem, że powszechną praktyką w projektowaniu elektronicznym jest symulacja obwodu w jakimś programie przyprawowym przed jego zbudowaniem. Czasami projekt wymaga zastosowania skomplikowanych układów scalonych, na przykład układu scalonego, który wykonuje kontrolę ładowania baterii Li-Po lub układu scalonego, który działa jako kontroler PWM. Producenci na ogół nie udostępniają modeli przypraw tego rodzaju złożonych elementów. Chciałbym dowiedzieć się od inżynierów / projektantów elektroniki, co robią w tej sytuacji. Jak symulujesz taki obwód? A może chodzi raczej o pracę z projektami producenta podanymi w sekcji aplikacji arkusza danych i ufanie, że projekty będą działać. Może wyodrębniasz te układy scalone i symulujesz inne części swojego obwodu z rodzajem sygnału wyjściowego, jaki by one zapewniły?

Byłbym wdzięczny za praktyczne przykłady z twojego doświadczenia w projektowaniu elektronicznym, aby zilustrować, w jaki sposób podchodzisz do symulacji układów wykorzystujących gotowe układy scalone, które nie mają dostępnych modeli przypraw.

Z mojego doświadczenia wynika, że ​​powszechne stosowanie symulacji całych płyt jest w większości mitem poza symulacjami fizyki w RF.

Oczywiście zasady symulacji dla projektowania układów scalonych, ponieważ koszty prototypowania są tak szalone, i dla wszystkiego, co dotyczy projektowania HDL, ale dla ogólnej elektroniki nie tyle.

Sim naprawdę pomaga w takich rzeczach, jak filtry i pętle sterowania, w których naprawdę chcesz się upewnić, że punkty przerwania i przesunięcia fazowe są zgodne z oczekiwaniami, ale zwykle są to małe kropelki składające się z około kilkudziesięciu części, które można symulować w izolacji .

Próby symulacji całej planszy o rozsądnej złożoności zwykle zawodzą albo ze względu na stabilność liczbową, albo po prostu z powodu czasu wykonywania, który eksploduje, gdy zaczniesz dodawać rozsądne pasożyty.

Zasadniczo symulujesz bity, których nie jesteś pewien, co zwykle stanowi mniej niż 10% projektu (reszta to „inżynieria karty danych” zasilaczy i urządzeń IO).

Chociaż istnieje wiele narzędzi, dwie podstawowe formy symulacji są analogowe ( na przykład SPICE, LTSPICE lub Simetrix ) i integralność sygnału (z czymś takim jak Hyperlynx, jeśli masz bardzo głębokie kieszenie).

Istnieją narzędzia analizy mocy, ale widziałem bardzo dziwne wyniki, które najwyraźniej nie są tożsame z rzeczywistością fizyczną.

Istnieją narzędzia sygnałów mieszanych, chociaż strona cyfrowa ma tendencję do zachowań.

Problemy, z którymi się spotykamy to:

1 Dla części nie istnieje model symulacyjny. Jeśli masz kompletny arkusz danych, możesz zrobić porządne dźgnięcie przy toczeniu własnego lub użyć części, która ma model. Opracowanie własnego modelu na wszystko, co nie jest trywialne, jest bardzo czasochłonnym ćwiczeniem.

Zauważ, że wszystko poza prymitywem (dioda, tranzystor lub zwykła pasywna) jest modelem behawioralnym, który odzwierciedla działanie urządzenia w stanie ciągłym. Zobacz notę aplikacyjną, aby dowiedzieć się, co tak naprawdę jest w takim modelu. Zauważ, że rzeczy takie jak ferryty i dławiki są bardzo złożone; chociaż można je modelować jako obwód (aby uzyskać odpowiedź w arkuszu danych), może to być bardzo czasochłonne.

2 Czas pracy. Symulowałem całą ścieżkę zasilania dla gniazda wyrzucającego, aby uwzględnić EED i baterie termiczne w ramach niezależnego przeglądu bezpieczeństwa elektroniki sekwencera. Ponieważ kable do obwodów sterujących i zapłonowych były dość długie, zostały zamodelowane jako luźno połączone uzwojenia transformatora. Obwód zawierał może 40 elementów i zajął (na wielordzeniowej wysokiej klasy maszynie) ponad 30 godzin na wykonanie pojedynczego przebiegu przejściowego.

3 Niektóre części obwodu nie są tak naprawdę odpowiednie do symulacji lub nie powinny ich potrzebować. Jeśli mam prosty stopień izolacji z optoizolacją do przełączania przełącznika sterowania, nie powinienem potrzebować symulacji, jeśli arkusze danych zostały właściwie użyte (oczywiście jest to zupełnie inny temat, ponieważ widziałem wiele projektów, w których tak nie było) .

4 W symulacji integralności sygnału większość symulatorów nie bierze pod uwagę, że kontrolowane impedancje wynoszą co najwyżej +/- 10% i będą się różnić między warstwami. Takie symulacje są przydatne, aby zobaczyć poważne problemy, ale nadal możesz zostać ugryziony przez takie szczegóły. Ponadto większość symulatorów nie może modelować ścieżki powrotnej (chociaż symulacje układu postów są coraz lepsze).

5 Praktycznie wszystkie modele symulacyjne stanowią kompromisy odzwierciedlające najczęstszy przypadek użycia; Musiałem znacznie zmodyfikować modele, aby zobaczyć zachowanie skrzynek narożnych.

System z pełną kartą (lub często z wieloma kartami) byłby zbyt długi pod względem czasu działania, więc symulowane są tylko te części, które chcemy sprawdzić.

Inną kwestią jest to, że w przypadku makromodeli zachowanie podczas rozruchu jest w wielu przypadkach niezdefiniowane i żaden symulator na świecie nie pomoże, jeśli zachowanie podczas rozruchu jest krytyczne (tak jak może być w przypadku sprzętu o krytycznym znaczeniu dla bezpieczeństwa lotu) - wystarczy zmierzyć to.

Symulacje z pewnością mogą pomóc projektantom, ale nie są one w żadnym razie bliskie doskonałości i nie należy polegać na rzeczywistej pracy obwodu; wskazują na działanie obwodu.

Korzystając z takich układów scalonych, często podążam za „książką kucharską” producenta. W większości przypadków powinno to doprowadzić do działania obwodu i często masz obwód, który możesz mniej więcej zintegrować z projektem w obecnej postaci.

Ale w niektórych przypadkach buduję również model SPICE dla części obwodu z jego zewnętrznymi komponentami. Np. Odpowiedź częstotliwościowa pętli sprzężenia zwrotnego w regulatorze napięcia, wejścia komparatora z wewnętrznie przełączanymi źródłami prądu. W takich przypadkach używam idealnych elementów z biblioteki Spice i dodam do niej określone cechy z arkusza danych, np. Upływ prądu wejściowego, pojemność, diody ESD. W przypadku cyfrowych urządzeń o wysokiej prędkości producent zapewnia często tak zwane modele IBIS, które modelują zachowanie elektryczne wejść / wyjść. Pozwala to na analizę integralności sygnału (która może obejmować płytkę drukowaną jako komponent).

Chociaż ogólnie może być prawdą, że często nie znajdziesz bardziej skomplikowanych modeli SPICE, chciałbym wspomnieć o Linear Technology / LTspice jako wyjątku, ponieważ zapewniają one modele dla układów scalonych, takich jak kontrolery PWM. Inni producenci oferują narzędzia do projektowania oparte na sieci Web lub arkuszu kalkulacyjnym, które umożliwiają np. Obliczenia wydajności.

Rozumiem, że powszechną praktyką w projektowaniu elektronicznym jest symulacja obwodu w jakimś programie przyprawowym przed jego zbudowaniem.

Nie widziałem symulacji na całej płytce, z wyjątkiem małych, prostych obwodów. Zamiast tego cała płyta jest analizowana w częściach, a dla każdej części stosuje się najbardziej odpowiednie metody. Na przykład typowy system oparty na mikrokontrolerze może być analizowany w następujący sposób:

• Zasilacz w trybie przełączania byłby symulowany w SPICE
• Ładowarka oparta na układzie scalonym zostałaby zaprojektowana w oparciu o arkusz danych i ręczne obliczenia
• Mikrokontroler zostałby podłączony zgodnie z arkuszem danych lub schematem przykładowym producenta
• Antena radiowa byłaby symulowana w specjalnym symulatorze RF lub zaprojektowana zgodnie ze specyfikacjami, które producent już zweryfikował

Wszelkie ograniczenia między częściami byłyby weryfikowane ręcznie, takie jak „mikrokontroler wymaga zasilania co najmniej 200 mA” i „SMPS musi obsłużyć obciążenie 500 mA”.

Z mojego ograniczonego doświadczenia wynika, że ​​nie muszę symulować całego systemu. Ogólnie rzecz biorąc, jest tylko jedna niewielka część obwodu, która jest trudna do zrozumienia. Do tego zwykle wystarcza demo wersji przyprawy. Podobnie w modelowaniu elementów skończonych jest tylko jedna niewielka część struktury anteny, która jest trudna do zrozumienia, więc wystarczy wersja demonstracyjna FEMAP.

Jeśli chodzi o konkretny problem z symulacją, przyprawa zawiera przepisy umożliwiające zbudowanie własnego modelu dowolnego urządzenia. Niestety, wymaga to nieco głębszego zrozumienia, aby uzyskać dobre wyniki, ale można to zrobić. (Nie pamiętam, czy wersja demonstracyjna przyprawy to obsługuje).