Como são simulados os circuitos que usam CIs complexos normalmente?

Entendo que é prática comum no design eletrônico simular um circuito em algum programa de especiaria antes de construí-lo. Às vezes, um projeto requer o uso de ICs complexos, por exemplo, um IC que executa controle de carga para uma bateria Li-Po ou um IC que atua como controlador PWM. Os fabricantes geralmente não disponibilizam modelos de especiarias desses tipos de componentes complexos. Eu gostaria de descobrir de qualquer engenheiro / designer de eletrônica o que eles fazem nessa situação. Como você simula esse circuito? Ou é mais um caso de trabalhar com os designs do fabricante fornecidos na seção de aplicação da folha de dados e confiar que os designs funcionem. Talvez você abstraia esses ICs e simule outras partes do seu circuito com o tipo de sinal de saída que eles forneceriam?

Eu apreciaria quaisquer exemplos práticos do mundo real da sua experiência em design eletrônico para ilustrar como você aborda a simulação de circuitos que utilizam CIs de prateleira que não possuem modelos de especiarias disponíveis.

Na minha experiência, o uso generalizado de simulação de placas inteiras é principalmente um mito fora das simulações de física em RF.

As regras de simulação para o design de CI, é claro, porque os custos de prototipagem são muito insanos e para qualquer coisa que envolva o design de HDL, mas para os eletrônicos em geral, nem tanto.

Onde o sim realmente ajuda é para coisas como filtros e loops de controle, onde você realmente quer ter certeza de que os pontos de interrupção e as mudanças de fase são o que você esperava, mas esses são tipicamente um pequeno blob de meia dúzia de partes que você pode simular isoladamente .

As tentativas de simular um quadro inteiro de complexidade razoável tendem a falhar na estabilidade numérica ou simplesmente no tempo de execução, o que explode quando você começa a adicionar parasitas razoáveis.

Geralmente, você simula os bits dos quais não tem certeza, o que geralmente é inferior a 10% do projeto (o restante é 'engenharia de folha de dados' de fontes de alimentação e itens de IO).

Embora existam muitas ferramentas, as duas principais formas de simulação são analógicas (SPICE, LTSPICE ou Simetrix, por exemplo) e integridade do sinal (com algo como o Hyperlynx, se você tiver bolsos muito profundos).

Existem ferramentas de análise de poder, mas vi alguns resultados muito estranhos que aparentemente não se equiparam à realidade física.

Existem ferramentas de sinal misto, embora o lado digital tenda a ser comportamental.

Os problemas que encontramos são:

1 Não existe modelo de simulação para a peça. Se você tem um completo folha de dados, você pode fazer uma facada decente a rolar seus próprios ou usar uma peça que faz ter um modelo. Rolar o seu próprio modelo para algo não trivial é um exercício demorado.

Observe que qualquer coisa além de um primitivo (diodo, transistor ou passivo simples) é um modelo comportamental que reflete a operação do dispositivo no estado contínuo. Consulte esta nota de aplicação para saber o que realmente está nesse modelo. Observe que coisas como ferrites e bobinas são muito complexas; embora possam ser modelados como um circuito (para obter a resposta na folha de dados), isso pode consumir muito tempo.

2 Tempo de execução. Simulei todo o caminho de energia de um assento de ejeção para incluir os EEDs e as baterias térmicas como parte de uma revisão de segurança independente dos componentes eletrônicos do seqüenciador. Como os cabos dos circuitos de controle e disparo eram bastante longos, eles foram modelados como enrolamentos de transformadores fracamente acoplados. O circuito continha talvez 40 elementos e levou (em uma máquina de vários núcleos de ponta) mais de 30 horas para fazer uma única operação transitória.

3 Algumas partes do circuito não são realmente adequadas para simulação ou não devem ser necessárias. Se eu tiver um estágio de isolamento simples acoplado para alternar um comutador de controle, não será necessário simulação se as folhas de dados tiverem sido usadas corretamente (é claro, esse é um assunto completamente diferente, pois já vi muitos projetos em que esse não era o caso) .

4 simulação em Signal Integrity, a maioria dos simuladores não levam em conta que impedâncias controlados são +/- 10% na melhor das hipóteses, e irá variar de camada para camada. Essas simulações são úteis para ver problemas graves, mas você ainda pode ser mordido por esses detalhes. Além disso, a maioria dos simuladores não pode modelar o caminho de retorno (embora as simulações pós-layout estejam melhorando).

5 Praticamente todos os modelos de simulação são compromissos para refletir o caso de uso mais comum; Eu tive que modificar os modelos significativamente para ver o comportamento dos cantos.

Um sistema de pensão completa (ou freqüentemente de várias pensões) seria proibitivo em termos de tempo de execução, portanto apenas as partes que estamos interessadas em verificar são simuladas.

Outra questão é que, para macromodelos, o comportamento de inicialização é indefinido em muitos casos e nenhum simulador no mundo ajudará se o comportamento de inicialização for crítico (como pode ser em equipamentos críticos de segurança de vôo) - você simplesmente precisa medir isto.

As simulações certamente podem ajudar os projetistas, mas elas não estão nem perto da perfeição e não devem ser consideradas para a operação real do circuito; eles são indicativos de operação do circuito.

Ao usar esses ICs, eu me encontro frequentemente seguindo o "livro de receitas" do fabricante. Isso deve levar a um circuito de trabalho na maioria dos casos e, muitas vezes, você possui um circuito que pode mais ou menos integrar ao seu projeto como está.

Mas, em alguns casos, também construo um modelo SPICE para uma parte do circuito com seus componentes externos. Por exemplo, resposta de frequência do loop de feedback em um regulador de tensão, entradas do comparador com fontes de corrente comutadas internamente. Nestes casos, utilizo elementos ideais da biblioteca Spice e adiciono as características especificadas na folha de dados, por exemplo, vazamento de entrada, capacitância, diodos ESD. Para dispositivos digitais de alta velocidade, o fabricante fornece os chamados modelos IBIS, que modelam o comportamento elétrico das entradas / saídas. Isso permite análises de integridade do sinal (que podem incluir o PCB como um componente).

Embora geralmente possa ser verdade que muitas vezes você não encontra modelos SPICE mais complexos disponíveis, gostaria de mencionar a Linear Technology / LTspice como uma exceção, eles fornecem modelos para CIs como controladores PWM. Outros fabricantes oferecem ferramentas de design baseadas na Web ou em planilhas que permitem, por exemplo, cálculos de eficiência.

Entendo que é prática comum no design eletrônico simular um circuito em algum programa de especiaria antes de construí-lo.

Não vi a simulação de placa inteira sendo usada, exceto em circuitos pequenos e simples. Em vez disso, todo o quadro é analisado em partes, e os métodos mais apropriados são usados ​​para cada parte. Por exemplo, um sistema típico baseado em microcontrolador pode ser analisado assim:

• A fonte de alimentação do modo de comutação seria simulada no SPICE
• O carregador de bateria baseado em IC seria projetado com base em folha de dados e cálculos manuais
• O microcontrolador seria conectado de acordo com a folha de dados ou o exemplo do fabricante
• A antena do rádio seria simulada em um simulador de RF especializado ou projetada de acordo com as especificações que um fabricante já verificou

E quaisquer restrições entre as peças seriam verificadas manualmente, como "o microcontrolador precisa de pelo menos 200 mA de suprimento" e "SMPS deve suportar carga de 500 mA".

Na minha experiência limitada, descobri que não preciso simular um sistema inteiro. Geralmente, há apenas uma pequena porção do circuito que é difícil de entender. E para isso, a versão demo do tempero é geralmente suficiente. Da mesma forma, na modelagem de elementos finitos, há apenas uma pequena porção da estrutura da antena que é difícil de entender; portanto, a versão demo do FEMAP é suficiente.

Quanto ao seu problema de simulação em particular, o spice tem disposições para você construir seu próprio modelo de qualquer dispositivo que desejar. Infelizmente, isso requer um entendimento um pouco mais profundo para obter bons resultados, mas isso pode ser feito. (Não me lembro se a versão demo do spice suporta isso.)