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Spice :IC设计中的模拟程序
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Spice:Simulation Programm in IC Design
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■安森美半导体工业及计算机转换应用工程师 Christophe BASSO
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在开关电源（SMPS）的系列产品中，回扫转换器广泛用于中小型电源（1-100W）应用，如墙适配器、离线电池充电器、传真机等等。安森美半导体新推出的NCP1200使回扫电路设计变得非常简单：在集成电路周围加上两个无源元件和一个MOSFET就可以了！然而要研究环境对系统的影响，则要花较多的时间：如温度循环引起的ESR变化、电容器的老化、各种不同类型的负载、电源线路的瞬变、滤波级的作用、电磁滤波器等等。
本文讲述如何用一个Spice (以集成电路为重心的模拟程序) 模拟器帮助设计人员快速实现自己的方案，以及它如何对外界约束条件作出反应。
Spice模型
SMPS主要分两类模型：开关模型和平均模型。开关模型是指设计人员把各种元件装配在一起，形成最后的部件：锁存器、振荡器、驱动器等等，最终得到一个虚拟器件，用以模仿硅产品的真实性能。因此，只需要简单的添加元件：MOSFET、变压器、光耦等等，然后运行模拟程序。模拟所需的时间随着电路的复杂程度和计算机类型而不同，但通常能够在5分钟之内得到结果……并且在观察高压性能时不会危及用户。
变换器通常是为了在不同工作环境下提供一个恒定的输出电压（或输出电流），为了达到这个目的，现在的系统几乎都使用反馈回路。受控参数的一部分（电压或电流）通过一个误差放大器与一个固定的、精确的参考值比较：如果出现误差，系统将改变内部参数（峰值电流设定值、开关频率等等），依靠调节回路稳定电压或电流。闭合上述回路，可能出现相位容限降低，产生永久或瞬时的振荡。所以，在设计变换器时对稳定性的评估是非常重要的。此外，还需要考察可能影响电源寿命的大量参数，确保永不发生不稳定情况。虽然自然程序很准确，然而用笔和纸描出频率图以包括所有的情况、以及组合，显然会花费大量的时间。在这个方面，平均Spice模型能够快速给出频率响应，并根据定义画出波特图，而开关模型无法与平均模型相媲美。
启动模型：瞬态模拟
图1a为由NCP1200构成的一个简单的3.5W离线回扫电路；图1b是一个等效的模拟模板。
安森美半导体也提供有源器件（如MOSFET 和二极管）由相应的模型模拟。这个模拟的例子中没有给出输入滤波器。通过试验板和模拟图得到的最终结果分别如图
1c 和 1d。它们相差不大。主要的差别在于所花费的时间：在测试板上布线差不多需要半天（如果在最初的尝试中不发生故障……），而模拟的图在一台350MHz的计算机上只需不到5分钟！
用平均模型闭合回路
稳定性的分析对于保证系统性能的稳定和可靠是至关重要的。图 2a 是一个典型的测试装置，用于画出闭环系统的波特图。
使用这套测试设置，假设网络分析仪从10Hz 到100kHz扫频，得到一张 B/A 相位-幅值特性图，也就是开路波特图。但还需要在回路的正确位置插入一个注入变压器，而且要正确选择注入电平，使其低于系统的饱和电平，以免产生非线性效应。可以想象，要经过多次反复才能得到正确有用的图像……
平均Spice模型提供很好的交流分析。图2b所示为NCP1200平均模型一例，专门用于无需断开环路的分析：
LoL和CoL在交流时使环路打开路(LoL很大)，而在直流时使环路闭合（LoL对直流呈现短路）。交流注入通过CoL。把探头放在电路图上的不同位置，可以观察到所选择的传递函数(例如
Vout/Vstim 或 Vfb/Vstim)。图 2c 是真实测量的结果，结果只需要一秒钟，而真实测量对一个熟练的操作者来说至少也需要一个小时……
提供模型只是一个方面。在真实的Spice应用中，布线仍需要一定的时间。为了加快设计周期，安森美半导体提供了现成可用的模拟模板（如图1b
和 2b所示），由三个不同的模拟平台简化而来： INTUSOFT的 IsSpice4， CADENCE的 PSpice 和 Spectrum-Software的
Micro-Cap。请注意，一些应用的电路图（例如均衡版）适用于大多的示范版本，而更复杂的模拟（例如瞬态分析）则需要运行完全版本。
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