开关转换器建模与实验室测量的准确性如何？

电源设计模型和仿真通常局限于典型值。要更全面地了解最终设计过程，需要考虑模型未考虑的潜在硅变化。在本设计解决方案中，我们将研究电容或电感变化等非理想问题，这些变化导致下降电压偏差高达±10mV（标称3.3V的0.3%），说明在仿真过程中需要了解和考虑物理组件的变化。

介绍

在上一篇文章中，我们研究了降压转换器误差预算的手动计算，并了解了它们与EE-Sim工具（Maxim的在线SIMPRIS电源设计和仿真工具）的仿真结果的对比情况。这 自然会引出一个更深层次的问题：模型与台架测量值的匹配程度如何？因为归根结底， 重要的是物理硅，如果世界上所有的计算和模拟不能充分模拟您的真实电源，它们将无济于事。®

那么，这些模型如何与台式测量相媲美呢？有关此问题的快速答案，请查看图 1。它显示 MAX17242EVKIT输出响应负载阶跃，MAX17242 SIMPLIS型号响应相同的负载阶跃 在Maxim新的OASIS（包括SIMPLIS的离线模拟仿真器）设计工具中。相关性，尤其是 关于峰值浪涌/暂降电压和恢复时间，是显着的。

图1.实验室工作台上MAX17242EVKIT与MAX17242 SIMPLIS模型的负载阶跃响应比较 EE-Sim OASIS模拟。

当然，这不是来自典型的模型，这是有充分理由的：每块硅都会有一点反应。 不同，而模型的每个实例都必须以相同的方式响应。模型参数与 典型的硅参数，因此将它们与随机IC进行比较必然会带来差异。为了建立 模型的准确性，我们用于生成上述阶跃响应的模型已略有调整以匹配 工作台上硅的值，我们将在下面详细解释这一过程。

确定必要的调整需要快速访问波特图的频域，但是一旦我们 确定我们可以信任模型的结果，我们可以使用它来显示预测的阶跃响应范围 工艺和组件变化。

关联过程

在诊断问题和发现电源差异时，电源设计人员的 工具箱比波特图更强大。瞬态波形上存在振铃提示存在问题， 但它对确定问题的根源几乎没有作用。移动到频域提供了有关以下内容的更多信息 问题来自哪里以及如何解决它。当涉及到将模型参数与硬件相关联时， 我们只在频域工作。波特图排列后，时域相关性显示在 图 1 自行发生。

Maxim使用SIMPLIS，部分原因是您无法使用SPICE快速访问频域。你要么必须 停止并花费额外的时间创建（并关联）线性化平均模型，以便在 SPICE AC 仿真中运行 或者通过一遍又一遍地使用不同的时域模型来在时域中繁琐地工作 在长时域 SPICE 仿真中测试信号频率。然后，您将对每个执行FFT后处理 输出，最后，手动将FFT结果拼接成波特图。

另一方面，Maxim全新EE-Sim OASIS设计工具附带的SIMPLIS仿真器提供了周期性的 工作点 （POP） 分析可快速建立时域模型。它包括一个专有的 线性化/平均算法，直接从提取的频域数据无缝生成波特图。 在单个仿真中有效地从同一模型导出交流和瞬态数据，从而加快了相关性 按数量级处理。说到速度，开关转换器除了波特图的优势外 SIMPLIS 中的时域仿真比 SPICE 中的时域仿真要快。将模型导入到Maxim的EE-Sim OASIS设计中 工具提供了在时域和频域中快速调整和测试模型的理想环境。

图2.EE-Sim OASIS中用于模拟MAX17242EVKIT的原理图。输入和输出电容器已 根据直流电压从原理图值降额。三个独立的波特探头允许测量全回路传递函数，以及单个功率级和补偿器级传递函数。

我们使用MAX17242评估板做的第一件事就是在控制环路上运行交流分析。 与放置在相同电路中的典型模型的仿真相比（图 2）。三者中的第一个 原理图中的波特探头允许我们捕获全环路传递函数，而另外两个探头允许我们捕获 将其拆分为单独的补偿器（OUT to COMP）和功率级（COMP to OUT）传递函数。 这种设置在工作台测量中进行了模拟，模型和工作台结果叠加在图3中。这 图当然相似，但与某些极点和增益值存在明显差异。

图3.波特图显示了功率级、补偿器级和全环路的增益和相位（从上到下） 台架测量和典型模型。

通过分离控制回路，模型和硬件之间差异的来源变得显而易见。 模型和电路板的功率级几乎相同，但在补偿级中，直流增益 模型太高，第一极发生得太早。通过推动跨导增益和输出电阻 误差放大器远离其典型值（但仍在规格范围内），我们可以将模型的行为推至 模仿我们在长凳上观察到的东西。输出电阻和跨导增益是我们接触的唯一参数， 结果如图 4 所示。测量和模型整齐地相互重叠，增益永远不会偏离 相位响应通常在5度以内或更近的交越频率。

图4.波特图显示了功率级、补偿器级和全环路的增益和相位（从上到下） 台阶测量和相关模型。

一旦测量和建模的波特图排列好，我们继续进行瞬态分析。我们开始在 硬件，仔细测量负载电流和输出响应。保持刺激相同 并尽可能消除模型和工作台之间的差异，我们使用测量的负载电流 在仿真环境中创建自定义电流源。这使我们能够使用相同的负载测试模型 硬件所经历的步骤，而不是理想化的近似。

此时，已经关联了波特图并为物理电路和建模电路提供了相同的刺激， 瞬态响应排成一排，无需任何额外工作。图1是提供变化的证据 在硅片中，EE-Sim中使用的SIMPLIS模型可提供非常准确的响应，是一种可靠的工具 用于设计和仿真现实生活中的电源。

外推结果

在模型中建立高度信任度，我们不仅可以设计和仿真典型的电源设计， 还可以扫描特定参数，以了解跨组件的潜在瞬态响应范围和 硅变化。图5对此进行了说明，显示了±10%的预期负载阶跃响应和波特图 负载电容容差、电感容差±20%以及误差放大器跨导±3dB变化。

图5.电感、输出典型变化的预期瞬态和频率响应范围 电容和误差放大器跨导。

这些结果与直觉相符：增加输出电容或减小电感值将减小 负载阶跃后电压下降的大小，但对整体建立时间影响不大。增加 另一方面，误差放大器跨导对电压下降的影响很小，但速度更快 恢复到标称输出，但代价是在恢复期间出现更多的振铃。

结论

为了有效地使用我们的设计工具，我们需要信任它们，这需要我们确定它们何时 准确，何时不准确。当涉及到EE-Sim设计工具中使用的SIMPLIS模型时，与 基准数据表明，我们对仿真结果反映预期行为具有很高的信心 的部分。然而，仿真的性质意味着我们的模型和模拟仅限于典型值， 更完整的最终设计图要求我们考虑模型的潜在硅变化 不会解释。在我们的例子中，补偿模型预测的瞬态下降电压与 测量到十分之一毫伏以内。但是，电容器或电感器变化等非理想性 对压降电压产生了±10mV（标称3.3V的0.3%）偏差，说明需要了解 并考虑仿真过程中预期的物理组件变化。

审核编辑：郭婷