到精通：選型、驗(yàn)證與調(diào)試實(shí)戰(zhàn)指南)
搞電源設(shè)計(jì)那會(huì)兒我剛?cè)胄胁痪糜肔Tspice仿真一個(gè)BUCK電路效率算出來(lái)96%心里美滋滋覺(jué)得這板子一出來(lái)肯定是行業(yè)標(biāo)桿。結(jié)果樣機(jī)實(shí)測(cè)只有77%差了將近二十個(gè)點(diǎn)。我當(dāng)時(shí)第一個(gè)反應(yīng)是電感選小了、MOS管太熱、PCB走線有問(wèn)題排查了大半個(gè)月最后才發(fā)現(xiàn)問(wèn)題出在模型上——我用的是一個(gè)理想開(kāi)關(guān)再加導(dǎo)通電阻開(kāi)關(guān)損耗、死區(qū)期間的體二極管反向恢復(fù)、驅(qū)動(dòng)損耗全都沒(méi)建模進(jìn)去。從那以后我算是明白了SPICE模型選不對(duì)仿真做得再漂亮也是自嗨。這篇內(nèi)容就是圍繞SPICE模型入門(mén)到精通這條主線來(lái)寫(xiě)的。我會(huì)先講清楚SPICE模型在仿真器里到底是怎么工作的再說(shuō)工程中最常用的幾種模型形態(tài)怎么選然后給出一套從器件手冊(cè)到可用模型的實(shí)操路徑接著聊模型驗(yàn)證、收斂性調(diào)試這些實(shí)際項(xiàng)目里繞不開(kāi)的坑最后聊聊進(jìn)階方向——從會(huì)用模型到能寫(xiě)模型。無(wú)論你是剛接觸仿真的在校學(xué)生還是已經(jīng)在用SPICE但經(jīng)常被仿真結(jié)果坑的工程師這篇內(nèi)容都值得你花半小時(shí)認(rèn)真看完。1. 先搞明白SPICE模型在仿真器里到底是個(gè)什么東西1.1 網(wǎng)表、模型、仿真器三者的分工很多人一打開(kāi)SPICE類(lèi)的軟件就往原理圖里拖器件仿真能跑通就完事但對(duì)背后發(fā)生的機(jī)制完全沒(méi)概念。實(shí)際上一次仿真包含三個(gè)層次的東西網(wǎng)表、模型、仿真器。網(wǎng)表描述的是電路長(zhǎng)什么樣也就是哪些節(jié)點(diǎn)連了哪些器件。SPICE最早就是靠純文本網(wǎng)表來(lái)定義電路的* 簡(jiǎn)單的RC低通濾波器 V1 IN 0 DC 5 R1 IN MID 1k C1 MID 0 1u .tran 0 10m .end這個(gè)網(wǎng)表只說(shuō)了一件事電壓源接在IN和地之間電阻一端接IN一端接MID電容一端接MID一端接地。至于電阻的阻值隨溫度怎么變、電容的高頻寄生電感到底多大網(wǎng)表不管這些是模型的事。模型描述的是器件的行為規(guī)律。SPICE里的模型本質(zhì)上是一組數(shù)學(xué)方程加上一套參數(shù)方程描述器件端口的電壓電流關(guān)系參數(shù)決定這組方程的數(shù)值解。仿真器則是負(fù)責(zé)數(shù)值求解的工具。它拿到網(wǎng)表和模型之后會(huì)建立節(jié)點(diǎn)電壓方程組然后用牛頓-拉夫遜迭代法去求解這個(gè)非線性系統(tǒng)。理解到這一步你就明白了一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題仿真不準(zhǔn)很多時(shí)候不是仿真器的鍋而是模型不夠真實(shí)。仿真器只是一個(gè)合格的數(shù)學(xué)計(jì)算器你給它什么模型它就算出什么結(jié)果。1.2 模型為什么是一堆方程參數(shù)拿最簡(jiǎn)單的二極管來(lái)舉例。SPICE中一個(gè)二極管的模型可以寫(xiě)成.model D1N4148 D (IS2.52n N1.752 RS0.568 CJO4p VJ0.6 M0.55 TT4.32n BV75 IBV5u)這行語(yǔ)句里的每一項(xiàng)都對(duì)應(yīng)一個(gè)物理含義。IS是飽和電流決定了正向?qū)▔航档拇笮是發(fā)射系數(shù)影響I-V曲線的斜率RS是串聯(lián)電阻決定了高電流下的壓降偏差CJO是零偏結(jié)電容影響開(kāi)關(guān)速度TT是少數(shù)載流子渡越時(shí)間決定反向恢復(fù)特性BV和IBV是擊穿電壓和擊穿電流。仿真器在計(jì)算時(shí)會(huì)調(diào)用內(nèi)建的二極管方程I IS * (exp(V/(N*Vt)) - 1) 結(jié)電容充放電電流溫度變化時(shí)IS、Vt這些參數(shù)還會(huì)按內(nèi)建的溫度修正公式做縮放。這個(gè)方程本身在SPICE代碼中是寫(xiě)死的模型語(yǔ)句里的參數(shù)就是喂給方程的具體系數(shù)。MOS管就更復(fù)雜了。最早的MOSFET Level 1模型就是教科書(shū)里那個(gè)平方律方程參數(shù)只有VTO閾值電壓、KP跨導(dǎo)系數(shù)、GAMMA體效應(yīng)系數(shù)、LAMBDA溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)這幾個(gè)。但隨著工藝線寬不斷縮小短溝道效應(yīng)、亞閾值導(dǎo)通、漏致勢(shì)壘降低DIBL、量子效應(yīng)等一大堆物理現(xiàn)象都得建模進(jìn)去就出現(xiàn)了BSIM3、BSIM4這種動(dòng)輒上百個(gè)參數(shù)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)模型。BSIM4里光是描述襯底電流和柵極漏電的參數(shù)就有幾十個(gè)。所以SPICE模型的演進(jìn)本質(zhì)上是半導(dǎo)體工藝演進(jìn)倒逼出來(lái)的。工藝越先進(jìn)模型越復(fù)雜仿真收斂越難計(jì)算量越大。你在用45nm工藝做芯片設(shè)計(jì)時(shí)跑一次后仿真要算幾天很大一部分時(shí)間都耗在BSIM4模型方程的計(jì)算上。1.3 模型的粒度從粗到細(xì)怎么選工程中說(shuō)到模型其實(shí)粒度差異很大。我習(xí)慣把模型分成四個(gè)層次理想模型一個(gè)開(kāi)關(guān)就是零導(dǎo)通電阻、零開(kāi)關(guān)時(shí)間一個(gè)運(yùn)放就是無(wú)窮增益、無(wú)窮帶寬。這種模型用來(lái)驗(yàn)證電路拓?fù)溥壿嫑](méi)問(wèn)題但任何和性能相關(guān)的結(jié)論都不可信。行為級(jí)模型用受控源和數(shù)學(xué)表達(dá)式描述器件的外特性不關(guān)心內(nèi)部物理機(jī)制。比如用一個(gè)壓控電流源加一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)模擬運(yùn)放的帶寬用查表方式模擬ADC的傳輸曲線。宏模型介于行為級(jí)和物理級(jí)之間保留一部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)以體現(xiàn)重要效應(yīng)。運(yùn)放宏模型通常會(huì)包含輸入失調(diào)電壓、有限開(kāi)環(huán)增益、擺率限制、輸出電流限制、共模抑制比這些參數(shù)。物理級(jí)模型基于器件物理結(jié)構(gòu)建立比如MOSFET的BSIM模型就是物理級(jí)模型一個(gè)管子對(duì)應(yīng)幾十個(gè)工藝參數(shù)能描述從弱反型到強(qiáng)反型、從線性區(qū)到飽和區(qū)的全部行為。這四個(gè)層次沒(méi)有絕對(duì)的好壞關(guān)鍵是匹配你的仿真目標(biāo)。做電源的系統(tǒng)仿真MOSFET用廠商提供的物理級(jí)模型但控制芯片里的運(yùn)放用宏模型就夠了沒(méi)必要把芯片內(nèi)部幾百個(gè)晶體管全建出來(lái)。做芯片設(shè)計(jì)則是反過(guò)來(lái)所有器件都得用foundry提供的物理級(jí)模型一個(gè)都不能省。2. 工程中最常用的SPICE模型形態(tài)model語(yǔ)句、子電路、宏模型2.1 用.model定義基礎(chǔ)器件最基礎(chǔ)的模型形態(tài)是.model語(yǔ)句適用于二極管、BJT、JFET、MOSFET這類(lèi)單一器件。它的特點(diǎn)是一個(gè)模型對(duì)應(yīng)一種器件類(lèi)型參數(shù)在語(yǔ)句內(nèi)平鋪。BJT模型常用的是Gummel-Poon模型語(yǔ)句長(zhǎng)這樣.model BC847 NPN (IS1.6e-14 BF300 NF1 VAF100 IKF0.08 ISE2e-16 NE1.5 BR15 NR1 VAR30 IKR0.15 ISC1e-15 NC2 RB10 RE0.5 RC0.8 TF4e-10 TR2e-8 CJC4e-12 MJC0.5 VJC0.6 CJE8e-12 MJE0.33 VJE0.7)如果只是做小信號(hào)放大電路BF正向電流增益、VAF歐拉電壓、CJC、CJE這幾個(gè)參數(shù)稍微準(zhǔn)一點(diǎn)仿真結(jié)果就有參考價(jià)值。但如果你想做開(kāi)關(guān)電源里的BJT驅(qū)動(dòng)電路TF、TR這些決定開(kāi)關(guān)速度的參數(shù)就必須準(zhǔn)確否則仿真出來(lái)的開(kāi)關(guān)損耗和實(shí)際能差一個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)MOSFET工業(yè)界現(xiàn)在基本都是BSIM模型參數(shù)數(shù)量動(dòng)不動(dòng)就上百。使用這類(lèi)模型時(shí)建議直接采用foundry或器件廠商提供的完整模型文件不要自己手工改參數(shù)。我見(jiàn)過(guò)太多人為了讓某個(gè)仿真結(jié)果好看手改KP或者VTO改完自己又記不住最后模型庫(kù)一團(tuán)亂回頭查問(wèn)題都不知道從哪查起。2.2 用.subckt把復(fù)雜器件封裝成黑盒對(duì)運(yùn)放、比較器、LDO、DCDC芯片這類(lèi)復(fù)雜器件直接用晶體管級(jí)模型是不現(xiàn)實(shí)的——你拿不到芯片內(nèi)部電路而且就算拿到了仿真速度也慢到?jīng)]法用。工業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)做法是用子電路模型語(yǔ)法上以.subckt開(kāi)頭、.ends結(jié)尾內(nèi)部用受控源、無(wú)源器件和少量簡(jiǎn)單半導(dǎo)體器件搭出一個(gè)等效電路。一個(gè)簡(jiǎn)化的運(yùn)放子電路模型大概長(zhǎng)這樣.subckt OPAMP IN IN- OUT VCC VEE RIN IN IN- 10MEG EOUT MID 0 VALUE{AV*(V(IN,IN-))} ... .ends OPAMP子電路模型的好處是可以定義端口封裝成獨(dú)立的符號(hào)看起來(lái)就是一顆芯片。LM358、TL431、UC3843這些經(jīng)典芯片網(wǎng)上都能找到經(jīng)過(guò)大量驗(yàn)證的成熟子電路模型很多大廠也直接公開(kāi)了自家芯片的SPICE模型。我在電源項(xiàng)目里用UC3843的廠商模型做的仿真和實(shí)測(cè)波形基本能對(duì)上尤其是啟動(dòng)過(guò)程、過(guò)流保護(hù)這些動(dòng)態(tài)特性參考價(jià)值非常高。使用子電路模型時(shí)需要注意端口順序。SPICE對(duì)端口順序極其敏感你如果按照數(shù)據(jù)手冊(cè)引腳順序連接但模型文件內(nèi)部定義的端口順序不一樣仿真結(jié)果會(huì)完全錯(cuò)誤。所以在原理圖里放置這類(lèi)模型前一定要先打開(kāi)模型文件看清楚.subckt那一行的端口列表。2.3 行為級(jí)模型與宏模型的適用場(chǎng)景行為級(jí)模型在信號(hào)鏈仿真里用得非常頻繁。比如ADC的模型不需要建模內(nèi)部開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)只要用理想采樣器加量化噪聲源就行。又比如DCDC控制環(huán)路的小信號(hào)模型可以用拉普拉斯傳遞函數(shù)直接寫(xiě)在G源里配合bode圖分析工具快速評(píng)估環(huán)路穩(wěn)定性。宏模型介于兩者之間。運(yùn)放的宏模型從一開(kāi)始就是為了彌補(bǔ)理想運(yùn)放模型不足而出現(xiàn)的成熟方案在理想模型基礎(chǔ)上加入有限增益、帶寬、壓擺率、輸出阻抗、輸入偏置電流、共模抑制比、電源抑制比等非理想因素。這類(lèi)模型仿真快精度對(duì)大多數(shù)應(yīng)用足夠是做信號(hào)鏈系統(tǒng)級(jí)仿真的首選。我自己的選型經(jīng)驗(yàn)是畫(huà)原理圖驗(yàn)證邏輯用理想模型評(píng)估系統(tǒng)性能用宏模型涉及具體芯片選型或者需要看開(kāi)關(guān)波形細(xì)節(jié)用廠商提供的精確模型只有做芯片設(shè)計(jì)才用foundry的BSIM物理模型。按照這個(gè)思路選擇模型粒度既不會(huì)因?yàn)槟Ｐ吞謱?dǎo)致結(jié)論失真也不會(huì)因?yàn)槟Ｐ吞?xì)導(dǎo)致仿真慢到懷疑人生。2.4 四種模型形態(tài)的對(duì)比我把四種模型形態(tài)的適用特點(diǎn)整理成了表格方便你在實(shí)際項(xiàng)目里快速?zèng)Q策模型形態(tài)典型語(yǔ)法精度仿真速度適用場(chǎng)景理想模型R、V、E源直接搭低極快拓?fù)潋?yàn)證、學(xué)習(xí)原理行為級(jí)模型受控源表達(dá)式/傳遞函數(shù)中快系統(tǒng)級(jí)仿真、環(huán)路穩(wěn)定性宏模型子電路受控源組合中高中運(yùn)放/基準(zhǔn)源等通用器件評(píng)估物理級(jí)模型廠商BSIM模型、Gummel-Poon高慢芯片設(shè)計(jì)、功率器件選型需要特別強(qiáng)調(diào)的是模型形式的選擇不是一成不變的。同一個(gè)器件在不同的仿真目的下可以同時(shí)存在宏模型和物理級(jí)模型。比如一個(gè)MOSFET做系統(tǒng)效率估算用宏模型就好但做驅(qū)動(dòng)波形、尖峰電壓分析就必須用包含寄生電容的物理級(jí)模型。3. 從器件手冊(cè)到可用模型一套能直接落地的實(shí)操路徑3.1 當(dāng)廠商沒(méi)有提供SPICE模型怎么從數(shù)據(jù)手冊(cè)自己建做工程時(shí)經(jīng)常遇到這種情況選了一顆很合適的器件結(jié)果廠商官網(wǎng)上沒(méi)給SPICE模型只給了一份PDF數(shù)據(jù)手冊(cè)。這時(shí)候自己動(dòng)手提取參數(shù)就成了繞不開(kāi)的活兒。以二極管為例從數(shù)據(jù)手冊(cè)提取參數(shù)的步驟我一般這樣做從正向I-V曲線上取兩個(gè)不同電流下的正向壓降代入二極管方程可以解出IS和N。從反向恢復(fù)時(shí)間規(guī)格查T(mén)T從結(jié)電容曲線查CJO、VJ、M。從最大反向電壓規(guī)格填BV。很多情況下你不需要提取全部參數(shù)。關(guān)鍵是識(shí)別出和當(dāng)前電路有關(guān)的參數(shù)。假設(shè)你在做的是低壓差穩(wěn)壓器里的整流二極管最重要的參數(shù)就是正向壓降、反向恢復(fù)時(shí)間和結(jié)電容至于擊穿電壓只要你的工作電壓遠(yuǎn)低于BV值填個(gè)大概就行。MOSFET的參數(shù)提取就更復(fù)雜了建議借助仿真工具的優(yōu)化擬合功能來(lái)操作。ngspice和LTspice里都支持把仿真結(jié)果和數(shù)據(jù)手冊(cè)曲線做對(duì)比然后通過(guò)參數(shù)掃描找到最優(yōu)解。我不會(huì)建議純手工折騰二十幾個(gè)參數(shù)效率和準(zhǔn)確率都太低了。3.2 LTspice導(dǎo)入第三方SPICE模型的標(biāo)準(zhǔn)流程這一節(jié)我重點(diǎn)講講LTspice導(dǎo)入第三方模型因?yàn)檫@個(gè)是提問(wèn)率最高的問(wèn)題也是剛上手的人最容易卡住的地方。整個(gè)流程可以分四步第一步下載模型文件。廠商給的模型格式一般有.lib、.txt、.sub、.mod等后綴本質(zhì)都是純文本用記事本就能打開(kāi)查看。第二步把模型文件放到LTspice的搜索目錄下。最簡(jiǎn)單的方式是拷貝到Documents\LTspiceXVII\lib\sub這個(gè)路徑放好后不需要重啟軟件原理圖里直接能用。第三步在原理圖里放置對(duì)應(yīng)的器件符號(hào)并關(guān)聯(lián)模型。對(duì)二極管、BJT、MOSFET這類(lèi)基礎(chǔ)器件直接放對(duì)應(yīng)的符號(hào)然后在符號(hào)屬性Value欄填模型名。對(duì)子電路模型最穩(wěn)妥的方式是用一個(gè)通用符號(hào)然后把前綴改成大寫(xiě)XValue填子電路名。第四步用.include指令把模型文件引到當(dāng)前原理圖。.include D1N4148.mod這里我要提醒一個(gè)非常容易踩的坑模型文件內(nèi)部定義的模型名不一定和文件名一致。你必須在原理圖里填的是模型文件內(nèi)部的模型名而不是文件名。打開(kāi)模型文件找到.model后面的那個(gè)名字或者在子電路文件里找到.subckt后面的名字那才是你該填的內(nèi)容。另外一個(gè)坑是第三方模型和LTspice內(nèi)置模型可能存在語(yǔ)法兼容性問(wèn)題尤其是某些老式PSpice模型里用了LTspice不認(rèn)識(shí)的關(guān)鍵字。遇到這種情況不能用LTspice的自動(dòng)符號(hào)生成功能而應(yīng)該手動(dòng)放置通用符號(hào)并確認(rèn)模型的前綴和端口定義。3.3 無(wú)源器件建模別忽略寄生參數(shù)很多人的仿真和實(shí)測(cè)對(duì)不上問(wèn)題不在于有源器件模型而在于無(wú)源器件的寄生參數(shù)完全沒(méi)建。一顆0805封裝的電容在100kHz時(shí)幾乎是理想電容在1MHz時(shí)開(kāi)始呈現(xiàn)容抗下降在100MHz時(shí)可能變成電感特性。這種頻率特性在原理圖里用一個(gè)理想電容根本不可能體現(xiàn)。工程上常用的做法是給無(wú)源器件建立寄生參數(shù)模型。電容的等效模型是ESR等效串聯(lián)電阻 ESL等效串聯(lián)電感再加上電容本體注意可能還有一個(gè)并聯(lián)的絕緣電阻。電阻的高頻模型則要考慮引線電感和寄生電容。我在做電源的輸入濾波電路仿真時(shí)曾經(jīng)因?yàn)殡娙軪SR設(shè)置和實(shí)際不符導(dǎo)致仿真出的紋波電壓只有實(shí)測(cè)的一半。后來(lái)查了電容的規(guī)格書(shū)把ESR從默認(rèn)的0.01歐改成0.08歐仿真結(jié)果就和實(shí)測(cè)對(duì)得上了。所以不要懶用數(shù)據(jù)手冊(cè)里的ESR和ESL參數(shù)給你的無(wú)源器件建模這比糾結(jié)有源器件模型里的某個(gè)參數(shù)值重要得多。3.4 關(guān)于FOPDT這類(lèi)非SPICE模型的澄清在工程領(lǐng)域模型這個(gè)詞含義極廣。SPICE模型描述的是電子器件的行為而在過(guò)程控制領(lǐng)域溫控系統(tǒng)常用的FOPDT模型一階慣性加純滯后模型描述的是被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)響應(yīng)形式上是K/(Ts1)*e^(-Ls)這樣一個(gè)傳遞函數(shù)。它的參數(shù)是通過(guò)階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)辨識(shí)出來(lái)的加一個(gè)階躍輸入記錄輸出曲線然后從曲線中提取增益K、時(shí)間常數(shù)T和滯后時(shí)間L。雖然這兩種模型所在領(lǐng)域完全不同但建模的思想是相通的都是從研究對(duì)象中提煉出能夠反映關(guān)鍵特性的數(shù)學(xué)描述只不過(guò)SPICE模型的數(shù)學(xué)載體是器件方程加參數(shù)集而FOPDT的數(shù)學(xué)載體是傳遞函數(shù)。理解了這層共性再去看不同領(lǐng)域的建模你就能舉一反三。4. 模型準(zhǔn)不準(zhǔn)不是仿真器說(shuō)了算驗(yàn)證與調(diào)試方法論4.1 仿真與實(shí)測(cè)對(duì)不上先別急著換參數(shù)很多工程師一遇到仿真和實(shí)測(cè)不一致第一反應(yīng)就是模型不行然后開(kāi)始亂改參數(shù)改到仿真結(jié)果湊合能看就完事。這種做法極其危險(xiǎn)——你在用一個(gè)錯(cuò)誤的模型去擬合另一個(gè)錯(cuò)誤的條件得出一個(gè)偶然正確的答案但根本不知道為什么正確也無(wú)法擴(kuò)展到其他設(shè)計(jì)。我的建議是系統(tǒng)地排查。排查順序是先確認(rèn)外圍無(wú)源器件的寄生參數(shù)是否建模再確認(rèn)工作點(diǎn)是否與模型適用范圍一致最后才懷疑有源器件模型本身。如果前兩項(xiàng)都沒(méi)問(wèn)題再考慮是不是模型版本老舊需要到廠商官網(wǎng)找更新版本。一個(gè)典型的例子室溫28度環(huán)境下仿真和實(shí)測(cè)差了5%但是把仿真溫度改到85度兩者又對(duì)上了。這種不是模型出錯(cuò)而是環(huán)境溫度變化導(dǎo)致的參數(shù)漂移。很多模型都有標(biāo)稱(chēng)溫度TNOM參數(shù)默認(rèn)是27度如果你的實(shí)際工作環(huán)境差異較大需要考慮溫度對(duì)模型參數(shù)的影響。4.2 用數(shù)據(jù)手冊(cè)曲線做模型驗(yàn)證的完整流程拿到一個(gè)新模型后不要直接拿去仿整個(gè)電路先做一個(gè)最簡(jiǎn)單的驗(yàn)證電路用模型仿真出該器件的特性曲線和數(shù)據(jù)手冊(cè)的典型曲線做對(duì)比。以MOSFET為例驗(yàn)證電路可以很簡(jiǎn)單掃描VGS看轉(zhuǎn)移特性曲線是否和手冊(cè)一致。掃描VDS看輸出特性曲線族的飽和電流是否和手冊(cè)一致。固定VGS給柵極加脈沖看開(kāi)關(guān)波形的時(shí)間常數(shù)和手冊(cè)的開(kāi)關(guān)參數(shù)是否一致。這個(gè)過(guò)程看起來(lái)費(fèi)時(shí)間但能讓你在正式仿真前對(duì)模型的準(zhǔn)確性心里有底。我在拿到一個(gè)新的MOSFET模型后花了半小時(shí)做這套驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)某廠商的模型在低壓大電流工況下仿真出來(lái)的導(dǎo)通電阻比手冊(cè)標(biāo)稱(chēng)值大了30%就繞開(kāi)了這顆管子改選其他器件。如果沒(méi)有這半小時(shí)驗(yàn)證直接做到整板仿真才發(fā)現(xiàn)功耗異?；仡^排查浪費(fèi)的時(shí)間會(huì)多得多。4.3 溫度、工藝角和模型適用范圍一個(gè)模型不是在所有條件下都準(zhǔn)確的。廠商模型通常會(huì)在模型文件中標(biāo)注適用范圍比如溫度范圍是-40到150攝氏度電流范圍是0到額定電流的3倍。超出范圍后模型的數(shù)學(xué)方程可能不收斂或者仿真出來(lái)的結(jié)果完全不符合物理實(shí)際。在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域工程師還會(huì)特別關(guān)注工藝角process corner問(wèn)題。同一款芯片不同晶圓批次之間的工藝參數(shù)會(huì)有隨機(jī)偏差foundry會(huì)提供TT、FF、SS、FS、SF等不同角點(diǎn)下的模型參數(shù)文件。設(shè)計(jì)要保證在所有工藝角下都能正常工作而不是只在典型參數(shù)下滿足指標(biāo)。這類(lèi)仿真在模擬IC設(shè)計(jì)流程中是強(qiáng)制要求但在板級(jí)設(shè)計(jì)中往往被忽略。板級(jí)設(shè)計(jì)如果對(duì)器件批次一致性要求高也應(yīng)該做一下參數(shù)掃描或者蒙特卡洛分析看電路對(duì)器件參數(shù)漂移的敏感度。5. 仿真跑不通、跑得慢收斂問(wèn)題與性能調(diào)優(yōu)的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)5.1 收斂失敗的常見(jiàn)根因和排查路徑玩過(guò)SPICE仿真的基本都遇到過(guò)No convergence或者其他迭代報(bào)錯(cuò)。這個(gè)問(wèn)題的本質(zhì)是牛頓-拉夫遜迭代在解非線性方程組時(shí)找不到一個(gè)滿足誤差條件的解。就好比你讓一個(gè)盲人通過(guò)摸象找平衡點(diǎn)每次都從當(dāng)前猜測(cè)出發(fā)走一小步結(jié)果來(lái)回震蕩就是落不下去。常見(jiàn)的收斂失敗原因包括初始條件設(shè)置不合理尤其是帶有反饋的電路啟動(dòng)時(shí)各節(jié)點(diǎn)電壓全為0跟實(shí)際工作點(diǎn)差太遠(yuǎn)。模型中存在導(dǎo)數(shù)不連續(xù)的邊界比如理想二極管在零電壓處從截止到導(dǎo)通的突變。電路電感電流或電容電壓在仿真啟動(dòng)瞬間存在突變導(dǎo)致數(shù)值溢出。仿真步長(zhǎng)過(guò)大漏掉了極窄的脈沖或極陡的邊沿。電路中存在上電時(shí)序?qū)е碌恼袷幏抡嫫鞣磸?fù)嘗試認(rèn)定無(wú)法收斂。排查時(shí)我習(xí)慣自己按鏈路逐項(xiàng)核對(duì)而不是亂調(diào)option參數(shù)。先把電路簡(jiǎn)化去掉非必要部分只保留核心拓?fù)淇词欠袷諗咳绻皇諗吭僦鸩郊踊貜?fù)雜度二分定位問(wèn)題模塊。這是效率最高的定位方法。5.2 仿真選項(xiàng)調(diào)整迭代次數(shù)、容差、步長(zhǎng)如果定位到某個(gè)模塊導(dǎo)致了收斂問(wèn)題可以有針對(duì)性地調(diào)整仿真選項(xiàng)。以下是我常用的一組設(shè)置.options RELTOL1e-3 ABSTOL1e-6 VNTOL1e-6 ITL1500 ITL450 .tran 0 10m 0 100nRELTOL是相對(duì)誤差容限默認(rèn)1e-3收緊到1e-4會(huì)更精確但迭代次數(shù)可能翻倍。ITL1是直流工作點(diǎn)求解的最大迭代次數(shù)默認(rèn)值偏低時(shí)加大這個(gè)值可以解決部分不收斂問(wèn)題。ITL4是瞬態(tài)分析每步最大迭代次數(shù)加大這個(gè)值也能解決部分不收斂但單步計(jì)算時(shí)間變長(zhǎng)。最大步長(zhǎng)的設(shè)置對(duì)瞬態(tài)仿真很關(guān)鍵。LTspice默認(rèn)情況會(huì)自動(dòng)調(diào)整步長(zhǎng)但遇到快速變化的波形可能還是會(huì)漏細(xì)節(jié)。手動(dòng)設(shè)置一個(gè)合理的最大步長(zhǎng)比如100ns可以強(qiáng)制仿真器去捕捉快速邊沿。還有一個(gè)很實(shí)用的技巧給容易出現(xiàn)電壓突變的節(jié)點(diǎn)加一個(gè)初始條件比如.ic V(SW)5可以幫仿真器在啟動(dòng)時(shí)更快找到工作點(diǎn)。5.3 模型化簡(jiǎn)從能跑到跑得對(duì)模型越復(fù)雜仿真越慢這是個(gè)繞不開(kāi)的trade-off。在實(shí)際項(xiàng)目中我拿到一個(gè)芯片的精確模型后經(jīng)常會(huì)在保證關(guān)鍵特性前提下做化簡(jiǎn)。比如某個(gè)隔離電源芯片的模型包含幾百個(gè)節(jié)點(diǎn)仿真一次要幾分鐘。分析環(huán)路穩(wěn)定性時(shí)我只需要用小信號(hào)模型替代它仿真時(shí)間能從幾分鐘降到最后幾百毫秒。化簡(jiǎn)的原則是只保留和分析目標(biāo)相關(guān)的特性。分析啟動(dòng)時(shí)序時(shí)必須保留軟啟動(dòng)、過(guò)流保護(hù)等非線性特性分析環(huán)路穩(wěn)定性時(shí)只需要保留誤差放大器、PWM調(diào)制器和輸出級(jí)的中頻增益和極點(diǎn)位置其他都可以砍掉。我見(jiàn)過(guò)有的工程師一套模型走天下不管是做環(huán)路分析還是做EMI仿真都拿同一個(gè)精確模型跑結(jié)果就是仿真時(shí)間長(zhǎng)得離譜很多項(xiàng)目等不起。學(xué)會(huì)按需化簡(jiǎn)模型是仿真能力能否從初級(jí)往高級(jí)邁進(jìn)的標(biāo)志之一。6. 進(jìn)階路徑從會(huì)用模型到能寫(xiě)模型6.1 自己動(dòng)手寫(xiě)一個(gè)行為級(jí)模型當(dāng)你對(duì)SPICE模型的理解深入到一定程度你會(huì)開(kāi)始不滿足于只用現(xiàn)成模型而是想針對(duì)自己的特定需求寫(xiě)一些定制模型。我建議從行為級(jí)模型入手這類(lèi)模型的寫(xiě)法最靈活也最接近電路直覺(jué)。以壓控電流源為例SPICE里的G源表達(dá)能力非常強(qiáng)可以直接寫(xiě)數(shù)學(xué)表達(dá)式、條件判斷也可以用拉普拉斯傳遞函數(shù)描述頻域特性。比如我想要一個(gè)帶帶寬限制的跨導(dǎo)放大器模型可以這樣寫(xiě)GM OUT 0 VALUE{G*V(IN) / (1 s/(2*PI*BW))}這種模型在建環(huán)路仿真時(shí)非常有用。你可以把運(yùn)放的直流增益、主極點(diǎn)、輸出擺率限制、飽和電壓全部用行為級(jí)表達(dá)式寫(xiě)進(jìn)去跑出來(lái)的波形和宏模型基本一致但思路更透明參數(shù)可調(diào)性更強(qiáng)。6.2 從Verilog網(wǎng)表到SPICE網(wǎng)表v2lvs的完整流程如果你做的是數(shù)字或混合信號(hào)芯片設(shè)計(jì)你可能需要在版圖后仿真階段把Verilog門(mén)級(jí)網(wǎng)表轉(zhuǎn)成SPICE網(wǎng)表這一步在工業(yè)界經(jīng)常用Calibre的v2lvs工具完成。典型用法是v2lvs -v digital_netlist.v -o digital_netlist.sp -l standard_cells.lib這樣生成的SPICE網(wǎng)表結(jié)構(gòu)就是一堆子電路實(shí)例每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元對(duì)齊到foundry提供的SPICE模型庫(kù)。生成的網(wǎng)表可以配合版圖提取出的寄生參數(shù)RC文件做帶寄生的晶體管級(jí)后仿真。這種仿真雖然慢到令人發(fā)指一個(gè)幾百K門(mén)的模塊可能要跑好幾天但它能發(fā)現(xiàn)版圖寄生引起的時(shí)序問(wèn)題和信號(hào)完整性問(wèn)題是流片前最后一道數(shù)字驗(yàn)證關(guān)卡。v2lvs的執(zhí)行邏輯其實(shí)不復(fù)雜解析Verilog網(wǎng)表中的單元實(shí)例查標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)映射表把每個(gè)單元替換成對(duì)應(yīng)的SPICE子電路把信號(hào)和電源地連接關(guān)系按照端口映射逐一轉(zhuǎn)換。但實(shí)際使用時(shí)需要注意幾個(gè)點(diǎn)電源地需要在轉(zhuǎn)換時(shí)正確識(shí)別并連接到對(duì)應(yīng)的全局電源節(jié)點(diǎn)否則所有邏輯門(mén)的驅(qū)動(dòng)都會(huì)異常另外浮空輸入、未連接輸出這些Verilog允許的情況在SPICE網(wǎng)表中會(huì)導(dǎo)致電路無(wú)法正常工作轉(zhuǎn)換前需要先做端口的連通性檢查。6.3 想往器件建模方向深耕應(yīng)該學(xué)什么器件建模是個(gè)相對(duì)小眾但技術(shù)含量極高的方向。如果覺(jué)得自己對(duì)半導(dǎo)體物理和數(shù)值計(jì)算方法都感興趣可以考慮往這個(gè)方向發(fā)展?；A(chǔ)的學(xué)科儲(chǔ)備包括半導(dǎo)體物理、固態(tài)電子學(xué)、數(shù)值分析。工具層面需要掌握至少一種編程語(yǔ)言Python或C因?yàn)榻９ぷ骱芏鄷r(shí)候要靠寫(xiě)腳本來(lái)做參數(shù)提取和模型驗(yàn)證。此外熟悉foundry的PDK工藝設(shè)計(jì)包結(jié)構(gòu)和BSIM模型標(biāo)準(zhǔn)也是必須的。目前BSIM-CMG、BSIM4、PSP這些模型家族還在持續(xù)演進(jìn)跟上最新標(biāo)準(zhǔn)需要持續(xù)閱讀IEEE的器件和EDA方向論文。如果不想全職做建模工程師但想在設(shè)計(jì)中用好模型我建議你至少掌握兩項(xiàng)進(jìn)階能力一是會(huì)用Python腳本批量提取器件模型參數(shù)并做交叉驗(yàn)證二是理解模型在仿真器中如何參與數(shù)值計(jì)算這樣在遇到模型導(dǎo)致不收斂這類(lèi)問(wèn)題時(shí)你能從更底層去定位問(wèn)題而不是只會(huì)亂調(diào)option參數(shù)?；氐介_(kāi)頭那個(gè)BUCK效率翻車(chē)的故事。后來(lái)我用廠商提供的MOSFET精確模型重新仿真加上電感的DCR、電容的ESR效率仿真結(jié)果變成78%和實(shí)測(cè)的77%幾乎一致。這個(gè)案例讓我徹底改掉了仿真能用就行的思維慣性。從那以后每拿到一個(gè)新器件我都會(huì)先跑一輪模型驗(yàn)證確認(rèn)模型文件的來(lái)源、適用范圍和參數(shù)完整度。做好這一步至少能幫你省掉一周的調(diào)試時(shí)間。我個(gè)人始終認(rèn)為SPICE模型是仿真工作的地基地基不牢上面蓋的樓再高也沒(méi)底氣。希望這篇內(nèi)容能幫你把這個(gè)地基打得扎實(shí)一些。 SPICE模型入門(mén)到精通：選型、驗(yàn)證與調(diào)試實(shí)戰(zhàn)指南
搞電源設(shè)計(jì)那會(huì)兒我剛?cè)胄胁痪糜肔Tspice仿真一個(gè)BUCK電路效率算出來(lái)96%心里美滋滋覺(jué)得這板子一出來(lái)肯定是行業(yè)標(biāo)桿。結(jié)果樣機(jī)實(shí)測(cè)只有77%差了將近二十個(gè)點(diǎn)。我當(dāng)時(shí)第一個(gè)反應(yīng)是電感選小了、MOS管太熱、PCB走線有問(wèn)題排查了大半個(gè)月最后才發(fā)現(xiàn)問(wèn)題出在模型上——我用的是一個(gè)理想開(kāi)關(guān)再加導(dǎo)通電阻開(kāi)關(guān)損耗、死區(qū)期間的體二極管反向恢復(fù)、驅(qū)動(dòng)損耗全都沒(méi)建模進(jìn)去。從那以后我算是明白了SPICE模型選不對(duì)仿真做得再漂亮也是自嗨。這篇內(nèi)容就是圍繞SPICE模型入門(mén)到精通這條主線來(lái)寫(xiě)的。我會(huì)先講清楚SPICE模型在仿真器里到底是怎么工作的再說(shuō)工程中最常用的幾種模型形態(tài)怎么選然后給出一套從器件手冊(cè)到可用模型的實(shí)操路徑接著聊模型驗(yàn)證、收斂性調(diào)試這些實(shí)際項(xiàng)目里繞不開(kāi)的坑最后聊聊進(jìn)階方向——從會(huì)用模型到能寫(xiě)模型。無(wú)論你是剛接觸仿真的在校學(xué)生還是已經(jīng)在用SPICE但經(jīng)常被仿真結(jié)果坑的工程師這篇內(nèi)容都值得你花半小時(shí)認(rèn)真看完。1. 先搞明白SPICE模型在仿真器里到底是個(gè)什么東西1.1 網(wǎng)表、模型、仿真器三者的分工很多人一打開(kāi)SPICE類(lèi)的軟件就往原理圖里拖器件仿真能跑通就完事但對(duì)背后發(fā)生的機(jī)制完全沒(méi)概念。實(shí)際上一次仿真包含三個(gè)層次的東西網(wǎng)表、模型、仿真器。網(wǎng)表描述的是電路長(zhǎng)什么樣也就是哪些節(jié)點(diǎn)連了哪些器件。SPICE最早就是靠純文本網(wǎng)表來(lái)定義電路的* 簡(jiǎn)單的RC低通濾波器 V1 IN 0 DC 5 R1 IN MID 1k C1 MID 0 1u .tran 0 10m .end這個(gè)網(wǎng)表只說(shuō)了一件事電壓源接在IN和地之間電阻一端接IN一端接MID電容一端接MID一端接地。至于電阻的阻值隨溫度怎么變、電容的高頻寄生電感到底多大網(wǎng)表不管這些是模型的事。模型描述的是器件的行為規(guī)律。SPICE里的模型本質(zhì)上是一組數(shù)學(xué)方程加上一套參數(shù)方程描述器件端口的電壓電流關(guān)系參數(shù)決定這組方程的數(shù)值解。仿真器則是負(fù)責(zé)數(shù)值求解的工具。它拿到網(wǎng)表和模型之后會(huì)建立節(jié)點(diǎn)電壓方程組然后用牛頓-拉夫遜迭代法去求解這個(gè)非線性系統(tǒng)。理解到這一步你就明白了一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題仿真不準(zhǔn)很多時(shí)候不是仿真器的鍋而是模型不夠真實(shí)。仿真器只是一個(gè)合格的數(shù)學(xué)計(jì)算器你給它什么模型它就算出什么結(jié)果。1.2 模型為什么是一堆方程參數(shù)拿最簡(jiǎn)單的二極管來(lái)舉例。SPICE中一個(gè)二極管的模型可以寫(xiě)成.model D1N4148 D (IS2.52n N1.752 RS0.568 CJO4p VJ0.6 M0.55 TT4.32n BV75 IBV5u)這行語(yǔ)句里的每一項(xiàng)都對(duì)應(yīng)一個(gè)物理含義。IS是飽和電流決定了正向?qū)▔航档拇笮是發(fā)射系數(shù)影響I-V曲線的斜率RS是串聯(lián)電阻決定了高電流下的壓降偏差CJO是零偏結(jié)電容影響開(kāi)關(guān)速度TT是少數(shù)載流子渡越時(shí)間決定反向恢復(fù)特性BV和IBV是擊穿電壓和擊穿電流。仿真器在計(jì)算時(shí)會(huì)調(diào)用內(nèi)建的二極管方程I IS * (exp(V/(N*Vt)) - 1) 結(jié)電容充放電電流溫度變化時(shí)IS、Vt這些參數(shù)還會(huì)按內(nèi)建的溫度修正公式做縮放。這個(gè)方程本身在SPICE代碼中是寫(xiě)死的模型語(yǔ)句里的參數(shù)就是喂給方程的具體系數(shù)。MOS管就更復(fù)雜了。最早的MOSFET Level 1模型就是教科書(shū)里那個(gè)平方律方程參數(shù)只有VTO閾值電壓、KP跨導(dǎo)系數(shù)、GAMMA體效應(yīng)系數(shù)、LAMBDA溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)這幾個(gè)。但隨著工藝線寬不斷縮小短溝道效應(yīng)、亞閾值導(dǎo)通、漏致勢(shì)壘降低DIBL、量子效應(yīng)等一大堆物理現(xiàn)象都得建模進(jìn)去就出現(xiàn)了BSIM3、BSIM4這種動(dòng)輒上百個(gè)參數(shù)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)模型。BSIM4里光是描述襯底電流和柵極漏電的參數(shù)就有幾十個(gè)。所以SPICE模型的演進(jìn)本質(zhì)上是半導(dǎo)體工藝演進(jìn)倒逼出來(lái)的。工藝越先進(jìn)模型越復(fù)雜仿真收斂越難計(jì)算量越大。你在用45nm工藝做芯片設(shè)計(jì)時(shí)跑一次后仿真要算幾天很大一部分時(shí)間都耗在BSIM4模型方程的計(jì)算上。1.3 模型的粒度從粗到細(xì)怎么選工程中說(shuō)到模型其實(shí)粒度差異很大。我習(xí)慣把模型分成四個(gè)層次理想模型一個(gè)開(kāi)關(guān)就是零導(dǎo)通電阻、零開(kāi)關(guān)時(shí)間一個(gè)運(yùn)放就是無(wú)窮增益、無(wú)窮帶寬。這種模型用來(lái)驗(yàn)證電路拓?fù)溥壿嫑](méi)問(wèn)題但任何和性能相關(guān)的結(jié)論都不可信。行為級(jí)模型用受控源和數(shù)學(xué)表達(dá)式描述器件的外特性不關(guān)心內(nèi)部物理機(jī)制。比如用一個(gè)壓控電流源加一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)模擬運(yùn)放的帶寬用查表方式模擬ADC的傳輸曲線。宏模型介于行為級(jí)和物理級(jí)之間保留一部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)以體現(xiàn)重要效應(yīng)。運(yùn)放宏模型通常會(huì)包含輸入失調(diào)電壓、有限開(kāi)環(huán)增益、擺率限制、輸出電流限制、共模抑制比這些參數(shù)。物理級(jí)模型基于器件物理結(jié)構(gòu)建立比如MOSFET的BSIM模型就是物理級(jí)模型一個(gè)管子對(duì)應(yīng)幾十個(gè)工藝參數(shù)能描述從弱反型到強(qiáng)反型、從線性區(qū)到飽和區(qū)的全部行為。這四個(gè)層次沒(méi)有絕對(duì)的好壞關(guān)鍵是匹配你的仿真目標(biāo)。做電源的系統(tǒng)仿真MOSFET用廠商提供的物理級(jí)模型但控制芯片里的運(yùn)放用宏模型就夠了沒(méi)必要把芯片內(nèi)部幾百個(gè)晶體管全建出來(lái)。做芯片設(shè)計(jì)則是反過(guò)來(lái)所有器件都得用foundry提供的物理級(jí)模型一個(gè)都不能省。2. 工程中最常用的SPICE模型形態(tài)model語(yǔ)句、子電路、宏模型2.1 用.model定義基礎(chǔ)器件最基礎(chǔ)的模型形態(tài)是.model語(yǔ)句適用于二極管、BJT、JFET、MOSFET這類(lèi)單一器件。它的特點(diǎn)是一個(gè)模型對(duì)應(yīng)一種器件類(lèi)型參數(shù)在語(yǔ)句內(nèi)平鋪。BJT模型常用的是Gummel-Poon模型語(yǔ)句長(zhǎng)這樣.model BC847 NPN (IS1.6e-14 BF300 NF1 VAF100 IKF0.08 ISE2e-16 NE1.5 BR15 NR1 VAR30 IKR0.15 ISC1e-15 NC2 RB10 RE0.5 RC0.8 TF4e-10 TR2e-8 CJC4e-12 MJC0.5 VJC0.6 CJE8e-12 MJE0.33 VJE0.7)如果只是做小信號(hào)放大電路BF正向電流增益、VAF歐拉電壓、CJC、CJE這幾個(gè)參數(shù)稍微準(zhǔn)一點(diǎn)仿真結(jié)果就有參考價(jià)值。但如果你想做開(kāi)關(guān)電源里的BJT驅(qū)動(dòng)電路TF、TR這些決定開(kāi)關(guān)速度的參數(shù)就必須準(zhǔn)確否則仿真出來(lái)的開(kāi)關(guān)損耗和實(shí)際能差一個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)MOSFET工業(yè)界現(xiàn)在基本都是BSIM模型參數(shù)數(shù)量動(dòng)不動(dòng)就上百。使用這類(lèi)模型時(shí)建議直接采用foundry或器件廠商提供的完整模型文件不要自己手工改參數(shù)。我見(jiàn)過(guò)太多人為了讓某個(gè)仿真結(jié)果好看手改KP或者VTO改完自己又記不住最后模型庫(kù)一團(tuán)亂回頭查問(wèn)題都不知道從哪查起。2.2 用.subckt把復(fù)雜器件封裝成黑盒對(duì)運(yùn)放、比較器、LDO、DCDC芯片這類(lèi)復(fù)雜器件直接用晶體管級(jí)模型是不現(xiàn)實(shí)的——你拿不到芯片內(nèi)部電路而且就算拿到了仿真速度也慢到?jīng)]法用。工業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)做法是用子電路模型語(yǔ)法上以.subckt開(kāi)頭、.ends結(jié)尾內(nèi)部用受控源、無(wú)源器件和少量簡(jiǎn)單半導(dǎo)體器件搭出一個(gè)等效電路。一個(gè)簡(jiǎn)化的運(yùn)放子電路模型大概長(zhǎng)這樣.subckt OPAMP IN IN- OUT VCC VEE RIN IN IN- 10MEG EOUT MID 0 VALUE{AV*(V(IN,IN-))} ... .ends OPAMP子電路模型的好處是可以定義端口封裝成獨(dú)立的符號(hào)看起來(lái)就是一顆芯片。LM358、TL431、UC3843這些經(jīng)典芯片網(wǎng)上都能找到經(jīng)過(guò)大量驗(yàn)證的成熟子電路模型很多大廠也直接公開(kāi)了自家芯片的SPICE模型。我在電源項(xiàng)目里用UC3843的廠商模型做的仿真和實(shí)測(cè)波形基本能對(duì)上尤其是啟動(dòng)過(guò)程、過(guò)流保護(hù)這些動(dòng)態(tài)特性參考價(jià)值非常高。使用子電路模型時(shí)需要注意端口順序。SPICE對(duì)端口順序極其敏感你如果按照數(shù)據(jù)手冊(cè)引腳順序連接但模型文件內(nèi)部定義的端口順序不一樣仿真結(jié)果會(huì)完全錯(cuò)誤。所以在原理圖里放置這類(lèi)模型前一定要先打開(kāi)模型文件看清楚.subckt那一行的端口列表。2.3 行為級(jí)模型與宏模型的適用場(chǎng)景行為級(jí)模型在信號(hào)鏈仿真里用得非常頻繁。比如ADC的模型不需要建模內(nèi)部開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)只要用理想采樣器加量化噪聲源就行。又比如DCDC控制環(huán)路的小信號(hào)模型可以用拉普拉斯傳遞函數(shù)直接寫(xiě)在G源里配合bode圖分析工具快速評(píng)估環(huán)路穩(wěn)定性。宏模型介于兩者之間。運(yùn)放的宏模型從一開(kāi)始就是為了彌補(bǔ)理想運(yùn)放模型不足而出現(xiàn)的成熟方案在理想模型基礎(chǔ)上加入有限增益、帶寬、壓擺率、輸出阻抗、輸入偏置電流、共模抑制比、電源抑制比等非理想因素。這類(lèi)模型仿真快精度對(duì)大多數(shù)應(yīng)用足夠是做信號(hào)鏈系統(tǒng)級(jí)仿真的首選。我自己的選型經(jīng)驗(yàn)是畫(huà)原理圖驗(yàn)證邏輯用理想模型評(píng)估系統(tǒng)性能用宏模型涉及具體芯片選型或者需要看開(kāi)關(guān)波形細(xì)節(jié)用廠商提供的精確模型只有做芯片設(shè)計(jì)才用foundry的BSIM物理模型。按照這個(gè)思路選擇模型粒度既不會(huì)因?yàn)槟Ｐ吞謱?dǎo)致結(jié)論失真也不會(huì)因?yàn)槟Ｐ吞?xì)導(dǎo)致仿真慢到懷疑人生。2.4 四種模型形態(tài)的對(duì)比我把四種模型形態(tài)的適用特點(diǎn)整理成了表格方便你在實(shí)際項(xiàng)目里快速?zèng)Q策模型形態(tài)典型語(yǔ)法精度仿真速度適用場(chǎng)景理想模型R、V、E源直接搭低極快拓?fù)潋?yàn)證、學(xué)習(xí)原理行為級(jí)模型受控源表達(dá)式/傳遞函數(shù)中快系統(tǒng)級(jí)仿真、環(huán)路穩(wěn)定性宏模型子電路受控源組合中高中運(yùn)放/基準(zhǔn)源等通用器件評(píng)估物理級(jí)模型廠商BSIM模型、Gummel-Poon高慢芯片設(shè)計(jì)、功率器件選型需要特別強(qiáng)調(diào)的是模型形式的選擇不是一成不變的。同一個(gè)器件在不同的仿真目的下可以同時(shí)存在宏模型和物理級(jí)模型。比如一個(gè)MOSFET做系統(tǒng)效率估算用宏模型就好但做驅(qū)動(dòng)波形、尖峰電壓分析就必須用包含寄生電容的物理級(jí)模型。3. 從器件手冊(cè)到可用模型一套能直接落地的實(shí)操路徑3.1 當(dāng)廠商沒(méi)有提供SPICE模型怎么從數(shù)據(jù)手冊(cè)自己建做工程時(shí)經(jīng)常遇到這種情況選了一顆很合適的器件結(jié)果廠商官網(wǎng)上沒(méi)給SPICE模型只給了一份PDF數(shù)據(jù)手冊(cè)。這時(shí)候自己動(dòng)手提取參數(shù)就成了繞不開(kāi)的活兒。以二極管為例從數(shù)據(jù)手冊(cè)提取參數(shù)的步驟我一般這樣做從正向I-V曲線上取兩個(gè)不同電流下的正向壓降代入二極管方程可以解出IS和N。從反向恢復(fù)時(shí)間規(guī)格查T(mén)T從結(jié)電容曲線查CJO、VJ、M。從最大反向電壓規(guī)格填BV。很多情況下你不需要提取全部參數(shù)。關(guān)鍵是識(shí)別出和當(dāng)前電路有關(guān)的參數(shù)。假設(shè)你在做的是低壓差穩(wěn)壓器里的整流二極管最重要的參數(shù)就是正向壓降、反向恢復(fù)時(shí)間和結(jié)電容至于擊穿電壓只要你的工作電壓遠(yuǎn)低于BV值填個(gè)大概就行。MOSFET的參數(shù)提取就更復(fù)雜了建議借助仿真工具的優(yōu)化擬合功能來(lái)操作。ngspice和LTspice里都支持把仿真結(jié)果和數(shù)據(jù)手冊(cè)曲線做對(duì)比然后通過(guò)參數(shù)掃描找到最優(yōu)解。我不會(huì)建議純手工折騰二十幾個(gè)參數(shù)效率和準(zhǔn)確率都太低了。3.2 LTspice導(dǎo)入第三方SPICE模型的標(biāo)準(zhǔn)流程這一節(jié)我重點(diǎn)講講LTspice導(dǎo)入第三方模型因?yàn)檫@個(gè)是提問(wèn)率最高的問(wèn)題也是剛上手的人最容易卡住的地方。整個(gè)流程可以分四步第一步下載模型文件。廠商給的模型格式一般有.lib、.txt、.sub、.mod等后綴本質(zhì)都是純文本用記事本就能打開(kāi)查看。第二步把模型文件放到LTspice的搜索目錄下。最簡(jiǎn)單的方式是拷貝到Documents\LTspiceXVII\lib\sub這個(gè)路徑放好后不需要重啟軟件原理圖里直接能用。第三步在原理圖里放置對(duì)應(yīng)的器件符號(hào)并關(guān)聯(lián)模型。對(duì)二極管、BJT、MOSFET這類(lèi)基礎(chǔ)器件直接放對(duì)應(yīng)的符號(hào)然后在符號(hào)屬性Value欄填模型名。對(duì)子電路模型最穩(wěn)妥的方式是用一個(gè)通用符號(hào)然后把前綴改成大寫(xiě)XValue填子電路名。第四步用.include指令把模型文件引到當(dāng)前原理圖。.include D1N4148.mod這里我要提醒一個(gè)非常容易踩的坑模型文件內(nèi)部定義的模型名不一定和文件名一致。你必須在原理圖里填的是模型文件內(nèi)部的模型名而不是文件名。打開(kāi)模型文件找到.model后面的那個(gè)名字或者在子電路文件里找到.subckt后面的名字那才是你該填的內(nèi)容。另外一個(gè)坑是第三方模型和LTspice內(nèi)置模型可能存在語(yǔ)法兼容性問(wèn)題尤其是某些老式PSpice模型里用了LTspice不認(rèn)識(shí)的關(guān)鍵字。遇到這種情況不能用LTspice的自動(dòng)符號(hào)生成功能而應(yīng)該手動(dòng)放置通用符號(hào)并確認(rèn)模型的前綴和端口定義。3.3 無(wú)源器件建模別忽略寄生參數(shù)很多人的仿真和實(shí)測(cè)對(duì)不上問(wèn)題不在于有源器件模型而在于無(wú)源器件的寄生參數(shù)完全沒(méi)建。一顆0805封裝的電容在100kHz時(shí)幾乎是理想電容在1MHz時(shí)開(kāi)始呈現(xiàn)容抗下降在100MHz時(shí)可能變成電感特性。這種頻率特性在原理圖里用一個(gè)理想電容根本不可能體現(xiàn)。工程上常用的做法是給無(wú)源器件建立寄生參數(shù)模型。電容的等效模型是ESR等效串聯(lián)電阻 ESL等效串聯(lián)電感再加上電容本體注意可能還有一個(gè)并聯(lián)的絕緣電阻。電阻的高頻模型則要考慮引線電感和寄生電容。我在做電源的輸入濾波電路仿真時(shí)曾經(jīng)因?yàn)殡娙軪SR設(shè)置和實(shí)際不符導(dǎo)致仿真出的紋波電壓只有實(shí)測(cè)的一半。后來(lái)查了電容的規(guī)格書(shū)把ESR從默認(rèn)的0.01歐改成0.08歐仿真結(jié)果就和實(shí)測(cè)對(duì)得上了。所以不要懶用數(shù)據(jù)手冊(cè)里的ESR和ESL參數(shù)給你的無(wú)源器件建模這比糾結(jié)有源器件模型里的某個(gè)參數(shù)值重要得多。3.4 關(guān)于FOPDT這類(lèi)非SPICE模型的澄清在工程領(lǐng)域模型這個(gè)詞含義極廣。SPICE模型描述的是電子器件的行為而在過(guò)程控制領(lǐng)域溫控系統(tǒng)常用的FOPDT模型一階慣性加純滯后模型描述的是被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)響應(yīng)形式上是K/(Ts1)*e^(-Ls)這樣一個(gè)傳遞函數(shù)。它的參數(shù)是通過(guò)階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)辨識(shí)出來(lái)的加一個(gè)階躍輸入記錄輸出曲線然后從曲線中提取增益K、時(shí)間常數(shù)T和滯后時(shí)間L。雖然這兩種模型所在領(lǐng)域完全不同但建模的思想是相通的都是從研究對(duì)象中提煉出能夠反映關(guān)鍵特性的數(shù)學(xué)描述只不過(guò)SPICE模型的數(shù)學(xué)載體是器件方程加參數(shù)集而FOPDT的數(shù)學(xué)載體是傳遞函數(shù)。理解了這層共性再去看不同領(lǐng)域的建模你就能舉一反三。4. 模型準(zhǔn)不準(zhǔn)不是仿真器說(shuō)了算驗(yàn)證與調(diào)試方法論4.1 仿真與實(shí)測(cè)對(duì)不上先別急著換參數(shù)很多工程師一遇到仿真和實(shí)測(cè)不一致第一反應(yīng)就是模型不行然后開(kāi)始亂改參數(shù)改到仿真結(jié)果湊合能看就完事。這種做法極其危險(xiǎn)——你在用一個(gè)錯(cuò)誤的模型去擬合另一個(gè)錯(cuò)誤的條件得出一個(gè)偶然正確的答案但根本不知道為什么正確也無(wú)法擴(kuò)展到其他設(shè)計(jì)。我的建議是系統(tǒng)地排查。排查順序是先確認(rèn)外圍無(wú)源器件的寄生參數(shù)是否建模再確認(rèn)工作點(diǎn)是否與模型適用范圍一致最后才懷疑有源器件模型本身。如果前兩項(xiàng)都沒(méi)問(wèn)題再考慮是不是模型版本老舊需要到廠商官網(wǎng)找更新版本。一個(gè)典型的例子室溫28度環(huán)境下仿真和實(shí)測(cè)差了5%但是把仿真溫度改到85度兩者又對(duì)上了。這種不是模型出錯(cuò)而是環(huán)境溫度變化導(dǎo)致的參數(shù)漂移。很多模型都有標(biāo)稱(chēng)溫度TNOM參數(shù)默認(rèn)是27度如果你的實(shí)際工作環(huán)境差異較大需要考慮溫度對(duì)模型參數(shù)的影響。4.2 用數(shù)據(jù)手冊(cè)曲線做模型驗(yàn)證的完整流程拿到一個(gè)新模型后不要直接拿去仿整個(gè)電路先做一個(gè)最簡(jiǎn)單的驗(yàn)證電路用模型仿真出該器件的特性曲線和數(shù)據(jù)手冊(cè)的典型曲線做對(duì)比。以MOSFET為例驗(yàn)證電路可以很簡(jiǎn)單掃描VGS看轉(zhuǎn)移特性曲線是否和手冊(cè)一致。掃描VDS看輸出特性曲線族的飽和電流是否和手冊(cè)一致。固定VGS給柵極加脈沖看開(kāi)關(guān)波形的時(shí)間常數(shù)和手冊(cè)的開(kāi)關(guān)參數(shù)是否一致。這個(gè)過(guò)程看起來(lái)費(fèi)時(shí)間但能讓你在正式仿真前對(duì)模型的準(zhǔn)確性心里有底。我在拿到一個(gè)新的MOSFET模型后花了半小時(shí)做這套驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)某廠商的模型在低壓大電流工況下仿真出來(lái)的導(dǎo)通電阻比手冊(cè)標(biāo)稱(chēng)值大了30%就繞開(kāi)了這顆管子改選其他器件。如果沒(méi)有這半小時(shí)驗(yàn)證直接做到整板仿真才發(fā)現(xiàn)功耗異?；仡^排查浪費(fèi)的時(shí)間會(huì)多得多。4.3 溫度、工藝角和模型適用范圍一個(gè)模型不是在所有條件下都準(zhǔn)確的。廠商模型通常會(huì)在模型文件中標(biāo)注適用范圍比如溫度范圍是-40到150攝氏度電流范圍是0到額定電流的3倍。超出范圍后模型的數(shù)學(xué)方程可能不收斂或者仿真出來(lái)的結(jié)果完全不符合物理實(shí)際。在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域工程師還會(huì)特別關(guān)注工藝角process corner問(wèn)題。同一款芯片不同晶圓批次之間的工藝參數(shù)會(huì)有隨機(jī)偏差foundry會(huì)提供TT、FF、SS、FS、SF等不同角點(diǎn)下的模型參數(shù)文件。設(shè)計(jì)要保證在所有工藝角下都能正常工作而不是只在典型參數(shù)下滿足指標(biāo)。這類(lèi)仿真在模擬IC設(shè)計(jì)流程中是強(qiáng)制要求但在板級(jí)設(shè)計(jì)中往往被忽略。板級(jí)設(shè)計(jì)如果對(duì)器件批次一致性要求高也應(yīng)該做一下參數(shù)掃描或者蒙特卡洛分析看電路對(duì)器件參數(shù)漂移的敏感度。5. 仿真跑不通、跑得慢收斂問(wèn)題與性能調(diào)優(yōu)的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)5.1 收斂失敗的常見(jiàn)根因和排查路徑玩過(guò)SPICE仿真的基本都遇到過(guò)No convergence或者其他迭代報(bào)錯(cuò)。這個(gè)問(wèn)題的本質(zhì)是牛頓-拉夫遜迭代在解非線性方程組時(shí)找不到一個(gè)滿足誤差條件的解。就好比你讓一個(gè)盲人通過(guò)摸象找平衡點(diǎn)每次都從當(dāng)前猜測(cè)出發(fā)走一小步結(jié)果來(lái)回震蕩就是落不下去。常見(jiàn)的收斂失敗原因包括初始條件設(shè)置不合理尤其是帶有反饋的電路啟動(dòng)時(shí)各節(jié)點(diǎn)電壓全為0跟實(shí)際工作點(diǎn)差太遠(yuǎn)。模型中存在導(dǎo)數(shù)不連續(xù)的邊界比如理想二極管在零電壓處從截止到導(dǎo)通的突變。電路電感電流或電容電壓在仿真啟動(dòng)瞬間存在突變導(dǎo)致數(shù)值溢出。仿真步長(zhǎng)過(guò)大漏掉了極窄的脈沖或極陡的邊沿。電路中存在上電時(shí)序?qū)е碌恼袷幏抡嫫鞣磸?fù)嘗試認(rèn)定無(wú)法收斂。排查時(shí)我習(xí)慣自己按鏈路逐項(xiàng)核對(duì)而不是亂調(diào)option參數(shù)。先把電路簡(jiǎn)化去掉非必要部分只保留核心拓?fù)淇词欠袷諗咳绻皇諗吭僦鸩郊踊貜?fù)雜度二分定位問(wèn)題模塊。這是效率最高的定位方法。5.2 仿真選項(xiàng)調(diào)整迭代次數(shù)、容差、步長(zhǎng)如果定位到某個(gè)模塊導(dǎo)致了收斂問(wèn)題可以有針對(duì)性地調(diào)整仿真選項(xiàng)。以下是我常用的一組設(shè)置.options RELTOL1e-3 ABSTOL1e-6 VNTOL1e-6 ITL1500 ITL450 .tran 0 10m 0 100nRELTOL是相對(duì)誤差容限默認(rèn)1e-3收緊到1e-4會(huì)更精確但迭代次數(shù)可能翻倍。ITL1是直流工作點(diǎn)求解的最大迭代次數(shù)默認(rèn)值偏低時(shí)加大這個(gè)值可以解決部分不收斂問(wèn)題。ITL4是瞬態(tài)分析每步最大迭代次數(shù)加大這個(gè)值也能解決部分不收斂但單步計(jì)算時(shí)間變長(zhǎng)。最大步長(zhǎng)的設(shè)置對(duì)瞬態(tài)仿真很關(guān)鍵。LTspice默認(rèn)情況會(huì)自動(dòng)調(diào)整步長(zhǎng)但遇到快速變化的波形可能還是會(huì)漏細(xì)節(jié)。手動(dòng)設(shè)置一個(gè)合理的最大步長(zhǎng)比如100ns可以強(qiáng)制仿真器去捕捉快速邊沿。還有一個(gè)很實(shí)用的技巧給容易出現(xiàn)電壓突變的節(jié)點(diǎn)加一個(gè)初始條件比如.ic V(SW)5可以幫仿真器在啟動(dòng)時(shí)更快找到工作點(diǎn)。5.3 模型化簡(jiǎn)從能跑到跑得對(duì)模型越復(fù)雜仿真越慢這是個(gè)繞不開(kāi)的trade-off。在實(shí)際項(xiàng)目中我拿到一個(gè)芯片的精確模型后經(jīng)常會(huì)在保證關(guān)鍵特性前提下做化簡(jiǎn)。比如某個(gè)隔離電源芯片的模型包含幾百個(gè)節(jié)點(diǎn)仿真一次要幾分鐘。分析環(huán)路穩(wěn)定性時(shí)我只需要用小信號(hào)模型替代它仿真時(shí)間能從幾分鐘降到最后幾百毫秒。化簡(jiǎn)的原則是只保留和分析目標(biāo)相關(guān)的特性。分析啟動(dòng)時(shí)序時(shí)必須保留軟啟動(dòng)、過(guò)流保護(hù)等非線性特性分析環(huán)路穩(wěn)定性時(shí)只需要保留誤差放大器、PWM調(diào)制器和輸出級(jí)的中頻增益和極點(diǎn)位置其他都可以砍掉。我見(jiàn)過(guò)有的工程師一套模型走天下不管是做環(huán)路分析還是做EMI仿真都拿同一個(gè)精確模型跑結(jié)果就是仿真時(shí)間長(zhǎng)得離譜很多項(xiàng)目等不起。學(xué)會(huì)按需化簡(jiǎn)模型是仿真能力能否從初級(jí)往高級(jí)邁進(jìn)的標(biāo)志之一。6. 進(jìn)階路徑從會(huì)用模型到能寫(xiě)模型6.1 自己動(dòng)手寫(xiě)一個(gè)行為級(jí)模型當(dāng)你對(duì)SPICE模型的理解深入到一定程度你會(huì)開(kāi)始不滿足于只用現(xiàn)成模型而是想針對(duì)自己的特定需求寫(xiě)一些定制模型。我建議從行為級(jí)模型入手這類(lèi)模型的寫(xiě)法最靈活也最接近電路直覺(jué)。以壓控電流源為例SPICE里的G源表達(dá)能力非常強(qiáng)可以直接寫(xiě)數(shù)學(xué)表達(dá)式、條件判斷也可以用拉普拉斯傳遞函數(shù)描述頻域特性。比如我想要一個(gè)帶帶寬限制的跨導(dǎo)放大器模型可以這樣寫(xiě)GM OUT 0 VALUE{G*V(IN) / (1 s/(2*PI*BW))}這種模型在建環(huán)路仿真時(shí)非常有用。你可以把運(yùn)放的直流增益、主極點(diǎn)、輸出擺率限制、飽和電壓全部用行為級(jí)表達(dá)式寫(xiě)進(jìn)去跑出來(lái)的波形和宏模型基本一致但思路更透明參數(shù)可調(diào)性更強(qiáng)。6.2 從Verilog網(wǎng)表到SPICE網(wǎng)表v2lvs的完整流程如果你做的是數(shù)字或混合信號(hào)芯片設(shè)計(jì)你可能需要在版圖后仿真階段把Verilog門(mén)級(jí)網(wǎng)表轉(zhuǎn)成SPICE網(wǎng)表這一步在工業(yè)界經(jīng)常用Calibre的v2lvs工具完成。典型用法是v2lvs -v digital_netlist.v -o digital_netlist.sp -l standard_cells.lib這樣生成的SPICE網(wǎng)表結(jié)構(gòu)就是一堆子電路實(shí)例每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元對(duì)齊到foundry提供的SPICE模型庫(kù)。生成的網(wǎng)表可以配合版圖提取出的寄生參數(shù)RC文件做帶寄生的晶體管級(jí)后仿真。這種仿真雖然慢到令人發(fā)指一個(gè)幾百K門(mén)的模塊可能要跑好幾天但它能發(fā)現(xiàn)版圖寄生引起的時(shí)序問(wèn)題和信號(hào)完整性問(wèn)題是流片前最后一道數(shù)字驗(yàn)證關(guān)卡。v2lvs的執(zhí)行邏輯其實(shí)不復(fù)雜解析Verilog網(wǎng)表中的單元實(shí)例查標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)映射表把每個(gè)單元替換成對(duì)應(yīng)的SPICE子電路把信號(hào)和電源地連接關(guān)系按照端口映射逐一轉(zhuǎn)換。但實(shí)際使用時(shí)需要注意幾個(gè)點(diǎn)電源地需要在轉(zhuǎn)換時(shí)正確識(shí)別并連接到對(duì)應(yīng)的全局電源節(jié)點(diǎn)否則所有邏輯門(mén)的驅(qū)動(dòng)都會(huì)異常另外浮空輸入、未連接輸出這些Verilog允許的情況在SPICE網(wǎng)表中會(huì)導(dǎo)致電路無(wú)法正常工作轉(zhuǎn)換前需要先做端口的連通性檢查。6.3 想往器件建模方向深耕應(yīng)該學(xué)什么器件建模是個(gè)相對(duì)小眾但技術(shù)含量極高的方向。如果覺(jué)得自己對(duì)半導(dǎo)體物理和數(shù)值計(jì)算方法都感興趣可以考慮往這個(gè)方向發(fā)展?；A(chǔ)的學(xué)科儲(chǔ)備包括半導(dǎo)體物理、固態(tài)電子學(xué)、數(shù)值分析。工具層面需要掌握至少一種編程語(yǔ)言Python或C因?yàn)榻９ぷ骱芏鄷r(shí)候要靠寫(xiě)腳本來(lái)做參數(shù)提取和模型驗(yàn)證。此外熟悉foundry的PDK工藝設(shè)計(jì)包結(jié)構(gòu)和BSIM模型標(biāo)準(zhǔn)也是必須的。目前BSIM-CMG、BSIM4、PSP這些模型家族還在持續(xù)演進(jìn)跟上最新標(biāo)準(zhǔn)需要持續(xù)閱讀IEEE的器件和EDA方向論文。如果不想全職做建模工程師但想在設(shè)計(jì)中用好模型我建議你至少掌握兩項(xiàng)進(jìn)階能力一是會(huì)用Python腳本批量提取器件模型參數(shù)并做交叉驗(yàn)證二是理解模型在仿真器中如何參與數(shù)值計(jì)算這樣在遇到模型導(dǎo)致不收斂這類(lèi)問(wèn)題時(shí)你能從更底層去定位問(wèn)題而不是只會(huì)亂調(diào)option參數(shù)?；氐介_(kāi)頭那個(gè)BUCK效率翻車(chē)的故事。后來(lái)我用廠商提供的MOSFET精確模型重新仿真加上電感的DCR、電容的ESR效率仿真結(jié)果變成78%和實(shí)測(cè)的77%幾乎一致。這個(gè)案例讓我徹底改掉了仿真能用就行的思維慣性。從那以后每拿到一個(gè)新器件我都會(huì)先跑一輪模型驗(yàn)證確認(rèn)模型文件的來(lái)源、適用范圍和參數(shù)完整度。做好這一步至少能幫你省掉一周的調(diào)試時(shí)間。我個(gè)人始終認(rèn)為SPICE模型是仿真工作的地基地基不牢上面蓋的樓再高也沒(méi)底氣。希望這篇內(nèi)容能幫你把這個(gè)地基打得扎實(shí)一些。