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

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

先進設計系統(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 應用相關的幾個關鍵因素，例如串擾、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、調制開關、IGBT 等的擴展庫。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動器電路（IGBT、PowerMOS、SiC 和 GaN）的本機驅動器)，但也可以從第三方工具（PSPICE、LTspice、HSPICE、Verilog-A、VHDL 等）導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果。圖 2 顯示了一個非?；镜膬戎?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 MOSFET。通過運行仿真，可以勾勒出電流回路和開關回路，其行為非常接近實際操作。

圖 2：電流回路：示意圖

當然，電路可以變得更復雜：也可以構建半橋、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鍵問題。關于僅原理圖仿真，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，可能需要重新旋轉電路板，但該活動耗時、昂貴且需要調試。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 進行 EM 電路協(xié)同仿真，版圖視圖和原理圖視圖結合在一起。

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 仿真還可以導入其他平臺生成的設計布局（同時支持 ODB++ 和 Allegro Board File 格式）。3D 視圖功能增強了物理裝配，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)同仿真結果的示例。在右側，我們可以看到電路板布局，以及使用矩量技術方法執(zhí)行的電磁仿真結果。該工具還提供有關電路關鍵部分（例如通孔）的電流密度信息，幫助設計人員優(yōu)化布局。在圖 3 的左側，我們可以看到模擬和實際測量提供的結果之間的比較，參考開關節(jié)點電壓：它們實際上是相同的。

圖 3：EM 電路聯(lián)合仿真的結果

與傳統(tǒng)的仿真模型相比，ADS 可以提供更準確的結果，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換速率偏差的影響。應該注意的是，精確的波形匹配對于噪聲計算至關重要，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確，將 EM 仿真與基于數(shù)學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用。SMU 用于強制電壓或電流，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備獲?。┤缓笥杉傻?PEMG（電力電子模型生成器）軟件中的數(shù)學模型進行處理，從而生成適當?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備，您會從他們那里獲得 PDK（工藝設計套件）。

結論

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。結果的準確性非常重要，它嚴格依賴于用于模擬的模型。

審核編輯：郭婷