在高dI/dt时代设计开关模式电源

高速转换器和电源模块给设计人员带来了严峻的挑战。尽可能降低开关损耗，同时妥善处理高dI/dt和快速dV/dt开关。

尽管采用氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 等技术先进的材料已经实现了超低导通电阻 (Ron)，但其他重要参数仍会影响设计。功率器件的精确仿真，包括相关参数和模型，有助于设计人员仔细设计尺寸并验证其设计。

先进设计系统 (ADS)

ADS 解决方案是一个集成的仿真和验证环境，能够仿真与高速和高 dI/dt 应用相关的几个关键因素，例如串扰、阻抗、电压尖峰、EMI/EMC、谐振、热分析、通孔电流、寄生电容、和更多。可以使用多种仿真解决方案：完整的器件建模、封装加芯片分析或模块级分析。该工具包括电子元件、功率器件、焊线库、调制开关、IGBT 等的扩展库。图 1 显示了使用 ADS 可以获得哪种模拟和分析的概览。

图 1：ADS 包含一整套功率器件模型

例如，基于 EM 的模型用于通过矩量法参数估计提取封装和板级寄生参数，通过有限差分时域方法模拟连接器，并且可以通过精确计算磁通量和 MMF。ADS 包括用于模拟栅极驱动器电路（IGBT、PowerMOS、SiC 和 GaN）的本机驱动器)，但也可以从第三方工具（PSPICE、LTspice、HSPICE、Verilog-A、VHDL 等）导入器件和子电路模型。ADS 的一个显着特点是可以选择电路板、封装或模块的布局表示，也可以选择经典的示意图表示。这两种方法都是可能的，并且两种模拟都提供了有价值的结果。图 2 显示了一个非常基本的内置 ADS 原理图，其中包含一个电感器及其电容、一个二极管和开关 MOSFET。通过运行仿真，可以勾勒出电流回路和开关回路，其行为非常接近实际操作。

图 2：电流回路：示意图

当然，电路可以变得更复杂：也可以构建半桥、全桥或其他电源电路。协同仿真还可以包括电磁分析 (EM)，从而揭示可能遗漏的关键问题。关于仅原理图仿真，与 EM 的电路联合仿真可以很容易地检测到效率下降和发射增加，指出布局对电路特性有影响。发生这种情况时，可能需要重新旋转电路板，但该活动耗时、昂贵且需要调试。有时，最简单的方法是添加 EMI 屏蔽，这是一种昂贵的解决方案，尤其是在大批量生产的情况下。使用 ADS 进行 EM 电路协同仿真，版图视图和原理图视图结合在一起。

此外，矩量法为 PCB/封装提供了速度和精度的最佳平衡。因此，可以共同模拟常规的类似 SPICE 的集总元素以及布局的效果。由于键合线或键合线阵列可以很容易地缝合，因此组件组装速度非常快。图形用户界面允许从库中拖放组件、插入接合线并选择要缝合的形状、长度和直径。EM 仿真还可以导入其他平台生成的设计布局（同时支持 ODB++ 和 Allegro Board File 格式）。3D 视图功能增强了物理装配，它可以更好地了解连接器、弹簧和其他组件在三个维度上的外观。图 3 显示了 EM 电路协同仿真结果的示例。在右侧，我们可以看到电路板布局，以及使用矩量技术方法执行的电磁仿真结果。该工具还提供有关电路关键部分（例如通孔）的电流密度信息，帮助设计人员优化布局。在图 3 的左侧，我们可以看到模拟和实际测量提供的结果之间的比较，参考开关节点电压：它们实际上是相同的。

图 3：EM 电路联合仿真的结果

与传统的仿真模型相比，ADS 可以提供更准确的结果，仿真和测量之间的匹配度非常好。传统模型生成的波形通常不匹配：不模拟振铃/过冲（平线），并且波形受时序和转换速率偏差的影响。应该注意的是，精确的波形匹配对于噪声计算至关重要，因为波形包含高频分量。集成到 Advanced Design System 中的器件模型更加准确，将 EM 仿真与基于数学模型的多项式模型集成在一起。例如，流行的“Angelov-GaN 模型”已被修改以更好地表示 SiC 或 GaN 行为，并且已经独立于器件物理参数。

实现高精度的其他工具是双脉冲测试和源/测量系统。DPT 是双脉冲测试系统，用于测量电源模块的开关特性。SMU 是一种源/测量单元（有时称为源监视器单元），适用于需要高精度、高分辨率和测量灵活性的测试应用。SMU 用于强制电压或电流，同时测量电压和电流。测量数据（也可以通过第三方测量设备获取）然后由集成到 PEMG（电力电子模型生成器）软件中的数学模型进行处理，从而生成适当的模型参数。然后可以在 ADS 中使用模型，提供精确的电路和 EM 仿真。如果您从代工厂制造设备，您会从他们那里获得 PDK（工艺设计套件）。

结论

在高 dI/dt 时代，协同仿真是必须的。电磁仿真可以优化开关损耗，并且可以通过寄生控制降低 EMI。电热模拟允许优化布局以实现更好的热量分布，并有助于识别潜在问题或改进。结果的准确性非常重要，它严格依赖于用于模拟的模型。

审核编辑：郭婷