¿Cómo se simulan normalmente los circuitos que usan circuitos integrados complejos?

Entiendo que es una práctica común en el diseño electrónico simular un circuito en algún programa de especias antes de construirlo. A veces, un proyecto requiere el uso de circuitos integrados complejos, por ejemplo, un circuito integrado que realiza el control de carga para una batería Li-Po o un circuito integrado que actúa como controlador PWM. Los fabricantes generalmente no ponen a disposición modelos de especias de este tipo de componentes complejos. Me gustaría saber de cualquier ingeniero / diseñador electrónico qué hacen en esta situación. ¿Cómo simulas un circuito así? ¿O es más un caso de trabajar con los diseños del fabricante provistos en la sección de aplicación de la hoja de datos y confiar en que los diseños funcionarán? ¿Quizás abstraiga estos circuitos integrados y simule otras partes de su circuito con el tipo de señal de salida que proporcionarían?

Agradecería cualquier ejemplo práctico del mundo real de su experiencia en diseño electrónico para ilustrar cómo aborda la simulación de circuitos que hacen uso de circuitos integrados que no tienen modelos de especias disponibles.

En mi experiencia, el uso generalizado de la simulación de tableros completos es principalmente un mito fuera de las simulaciones físicas en RF.

Las reglas de simulación para el diseño de circuitos integrados, por supuesto, porque los costos de creación de prototipos son muy locos, y para todo lo relacionado con el diseño de HDL, pero para la electrónica en general, no tanto.

Donde el sim realmente ayuda es para cosas como filtros y bucles de control donde realmente desea asegurarse de que los puntos de interrupción y los cambios de fase sean los que esperaba, pero generalmente son una pequeña gota de media docena de partes que puede simular de forma aislada .

Los intentos de simular una placa completa de complejidad razonable tienden a fallar ya sea en la estabilidad numérica o simplemente en el tiempo de ejecución, que explota una vez que comienza a agregar parásitos razonables.

En general, simula los bits de los que no está seguro, que generalmente es menos del 10% de un diseño (el resto es 'ingeniería de hoja de datos' de fuentes de alimentación y cosas de E / S).

Aunque existen muchas herramientas, las dos formas principales de simulación son analógicas (SPICE, LTSPICE o Simetrix, por ejemplo) y la integridad de la señal (con algo como Hyperlynx si tiene bolsillos muy profundos).

Existen herramientas de análisis de poder, pero he visto algunos resultados muy extraños que aparentemente no se equiparan con la realidad física.

Existen herramientas de señal mixta, aunque el lado digital tiende a ser conductual.

Los problemas que enfrentamos son:

1 No existe un modelo de simulación para la pieza. Si usted tiene una hoja de datos completa se puede hacer una puñalada decente a rodar su propio uso o una parte que hace tener un modelo. Hacer rodar su propio modelo para cualquier cosa no trivial es un ejercicio que consume mucho tiempo.

Tenga en cuenta que cualquier cosa más allá de un primitivo (diodo, transistor o pasivo simple) es un modelo de comportamiento que refleja el funcionamiento del dispositivo en estado continuo. Consulte esta nota de aplicación para saber qué hay realmente en dicho modelo. Tenga en cuenta que cosas como ferritas y estranguladores son muy complejas; aunque pueden modelarse como un circuito (para lograr la respuesta en la hoja de datos) puede llevar mucho tiempo.

2 Tiempo de ejecución. Simulé toda la ruta de alimentación para un asiento de eyección para incluir los EED y las baterías térmicas como parte de una revisión de seguridad independiente de la electrónica del secuenciador. Como los cables a los circuitos de control y disparo eran bastante largos, se modelaron como devanados de transformadores sueltos. El circuito contenía quizás 40 elementos y tomó (en una máquina multinúcleo de alta gama) más de 30 horas para hacer una sola ejecución transitoria.

3 Algunas partes de los circuitos no son realmente adecuadas para la simulación o no deberían necesitarla. Si tengo una simple etapa de aislamiento optoacoplada para alternar un interruptor de control, no debería necesitar simulación si las hojas de datos se han utilizado correctamente (por supuesto, ese es un tema completamente diferente, ya que he visto muchos diseños donde ese no era el caso) .

4 de simulación En integridad de la señal, la mayoría de los simuladores no toma en cuenta que las impedancias controladas son +/- 10% en el mejor, y será variar de capa a capa. Tales simulaciones son útiles para ver problemas importantes, pero aún puede ser mordido por tales detalles. Además, la mayoría de los simuladores no pueden modelar la ruta de retorno (aunque las simulaciones posteriores al diseño están mejorando).

5 Prácticamente todos los modelos de simulación son compromisos para reflejar el caso de uso más común; Tuve que modificar los modelos de manera significativa para ver el comportamiento de las esquinas.

Un sistema de placa completa (o con frecuencia de varias placas) sería prohibitivo en términos de tiempo para ejecutarse realmente, por lo que solo se simulan las partes que estamos interesados ​​en verificar.

Otro problema es que, para los macromodelos, el comportamiento de arranque no está definido en muchos casos y ningún simulador en el mundo ayudará si el comportamiento de arranque es crítico (ya que puede ser en equipos críticos de seguridad de vuelo), simplemente tiene que medir eso.

Las simulaciones ciertamente pueden ayudar a los diseñadores, pero no están cerca de ser perfectas y no se debe confiar en ellas para la operación real del circuito; son indicativos de la operación del circuito.

Cuando uso tales circuitos integrados, a menudo me encuentro siguiendo el "libro de cocina" del fabricante. Esto debería conducir a un circuito de trabajo en la mayoría de los casos y, a menudo, tiene un circuito que puede integrar más o menos en su diseño tal como está.

Pero en algunos casos, también construyo un modelo SPICE para una parte del circuito con sus componentes externos. Por ejemplo, respuesta de frecuencia del circuito de retroalimentación en un regulador de voltaje, entradas del comparador con fuentes de corriente conmutadas internamente. En estos casos, utilizo elementos ideales de la biblioteca Spice y agrego las características especificadas de la hoja de datos, por ejemplo, fuga de entrada, capacitancia, diodos ESD. Para los dispositivos digitales de alta velocidad, el fabricante proporciona a menudo los denominados modelos IBIS, que modelan el comportamiento eléctrico de las entradas / salidas. Esto permite análisis de integridad de señal (que pueden incluir el PCB como componente).

Si bien en general puede ser cierto que a menudo no encontrará modelos SPICE más complejos disponibles, me gustaría mencionar Linear Technology / LTspice como excepción, proporcionan modelos para circuitos integrados como controladores PWM. Otros fabricantes le ofrecen herramientas de diseño basadas en web u hojas de cálculo que le permiten, por ejemplo, cálculos de eficiencia.

Entiendo que es una práctica común en el diseño electrónico simular un circuito en algún programa de especias antes de construirlo.

No he visto que se use simulación de tablero completo, excepto para circuitos pequeños y simples. En cambio, todo el tablero se analiza en partes, y se utilizan los métodos más apropiados para cada parte. Por ejemplo, un sistema típico basado en un microcontrolador podría analizarse así:

• La fuente de alimentación de modo de conmutación se simularía en SPICE
• El cargador de batería basado en IC se diseñaría según la hoja de datos y los cálculos manuales
• El microcontrolador se conectaría según la hoja de datos o el esquema de ejemplo del fabricante
• La antena de radio se simularía en un simulador de RF especializado, o se diseñaría de acuerdo con las especificaciones que un fabricante ya haya verificado

Y cualquier restricción entre las partes se verificaría manualmente, como "el microcontrolador necesita al menos un suministro de 200 mA" y "SMPS debe manejar una carga de 500 mA".

En mi experiencia limitada, he descubierto que no necesito simular un sistema completo. En general, solo hay una pequeña porción del circuito que es difícil de entender. Y para eso, la versión demo de spice suele ser suficiente. Del mismo modo, en el modelado de elementos finitos, solo hay una pequeña porción de la estructura de la antena que es difícil de entender, por lo que la versión demo de FEMAP es suficiente.

En cuanto a su problema de simulación particular, Spice tiene disposiciones para que pueda construir su propio modelo de cualquier dispositivo que desee. Por desgracia, esto requiere una comprensión algo más profunda para obtener buenos resultados, pero se puede hacer. (No recuerdo si la versión demo de spice lo admite).