Comment les circuits qui utilisent des circuits intégrés complexes sont-ils normalement simulés?

Je comprends qu'il est courant dans la conception électronique de simuler un circuit dans un programme d'épices avant de le construire. Parfois, un projet nécessite l'utilisation de circuits intégrés complexes, par exemple un circuit intégré qui effectue un contrôle de charge pour une batterie Li-Po ou un circuit intégré qui agit comme contrôleur PWM. Les fabricants ne proposent généralement pas de modèles d'épices de ce type de composants complexes. J'aimerais savoir auprès de tous les ingénieurs / concepteurs en électronique ce qu'ils font dans cette situation. Comment simulez-vous un tel circuit? Ou s'agit-il plutôt de travailler avec les conceptions du fabricant fournies dans la section d'application de la fiche technique et de croire que les conceptions fonctionneront. Peut-être que vous résumez ces circuits intégrés et simulez d'autres parties de votre circuit avec le type de signal de sortie qu'ils fourniraient?

J'apprécierais tous les exemples pratiques du monde réel tirés de votre expérience dans la conception électronique pour illustrer votre approche de la simulation de circuits qui utilisent des circuits intégrés prêts à l'emploi qui n'ont pas de modèles d'épices disponibles.

D'après mon expérience, l'utilisation généralisée de la simulation de cartes entières est principalement un mythe en dehors des simulations physiques en RF.

Les règles de simulation pour la conception de circuits intégrés bien sûr, car les coûts de prototypage sont tellement insensés, et pour tout ce qui concerne la conception HDL, mais pas pour l'électronique générale.

Là où la simulation aide vraiment, c'est pour des choses comme les filtres et les boucles de contrôle où vous voulez vraiment vous assurer que les points d'arrêt et les décalages de phase sont ce que vous attendiez, mais ce sont généralement une petite goutte d'une demi-douzaine de pièces que vous pouvez simuler isolément .

Les tentatives de simulation d'une carte entière d'une complexité raisonnable ont tendance à échouer soit sur la stabilité numérique, soit tout simplement sur le temps d'exécution, qui explose une fois que vous commencez à ajouter des parasites raisonnables.

En général, vous simulez les bits dont vous n'êtes pas sûr, ce qui représente généralement moins de 10% d'une conception (le reste est «l'ingénierie des fiches techniques» des alimentations et des éléments d'E / S).

Bien qu'il existe de nombreux outils, les deux principales formes de simulation sont analogiques (SPICE, LTSPICE ou Simetrix par exemple) et l'intégrité du signal (avec quelque chose comme Hyperlynx si vous avez des poches très profondes).

Il existe des outils d'analyse de puissance, mais j'ai vu des résultats très étranges qui ne correspondent apparemment pas à la réalité physique.

Il existe des outils de signaux mixtes, bien que le côté numérique ait tendance à être comportemental.

Les problèmes auxquels nous nous heurtons sont:

1 Aucun modèle de simulation n'existe pour la pièce. Si vous avez une fiche complète , vous pouvez faire un coup de poignard décent à rouler vos propres ou utiliser une partie qui fait un modèle. Rouler votre propre modèle pour tout ce qui n'est pas trivial est un exercice très long.

Notez que tout ce qui est au-delà d'une primitive (diode, transistor ou simple passif) est un modèle comportemental qui reflète le fonctionnement du dispositif à l'état continu. Voir cette note d'application pour ce qui est réellement dans un tel modèle. Notez que des choses comme les ferrites et les selfs sont très complexes; bien qu'ils puissent être modélisés comme un circuit (pour obtenir la réponse dans la fiche technique), cela peut prendre beaucoup de temps.

2 Durée d'exécution. J'ai simulé l'ensemble du chemin d'alimentation d'un siège éjectable pour inclure les DEE et les batteries thermiques dans le cadre d'un examen de sécurité indépendant de l'électronique du séquenceur. Comme les câbles des circuits de commande et de mise à feu étaient assez longs, ils ont été modélisés comme des enroulements de transformateur à couplage lâche. Le circuit contenait peut-être 40 éléments et a pris (sur une machine haut de gamme multicœur) plus de 30 heures pour effectuer une seule opération transitoire.

3 Certaines parties des circuits ne sont pas vraiment adaptées à la simulation ou ne devraient pas en avoir besoin. Si j'ai un simple étage d'isolement optocouplé pour basculer un interrupteur de commande, il ne devrait pas avoir besoin de simulation si les fiches techniques ont été utilisées correctement (bien sûr, c'est un sujet complètement différent car j'ai vu de nombreux modèles où ce n'était pas le cas) .

4 Dans la simulation d' intégrité du signal, la plupart des simulateurs ne prennent pas en compte sont contrôlés impédances +/- 10% au mieux, et sera varier couche à l'autre . Ces simulations sont utiles pour voir les problèmes grossiers, mais vous pouvez toujours être mordu par ces détails. De plus, la plupart des simulateurs ne peuvent pas modéliser le chemin de retour (bien que les simulations de post-mise en page s'améliorent).

5 Presque tous les modèles de simulation sont des compromis pour refléter le cas d'utilisation le plus courant; J'ai dû modifier considérablement les modèles pour voir le comportement des cas d'angle.

Un système en pension complète (ou souvent multi-cartes) serait prohibitif en termes de temps de fonctionnement, donc seules les pièces que nous souhaitons vérifier sont simulées.

Un autre problème est que pour les macro-modèles, le comportement au démarrage est indéfini dans de nombreux cas et aucun simulateur au monde ne sera utile si le comportement au démarrage est critique (comme cela peut être dans un équipement critique pour la sécurité des vols) - il vous suffit de mesurer il.

Les simulations peuvent certainement aider les concepteurs, mais elles ne sont pas proches de la perfection et ne doivent pas être utilisées pour le fonctionnement réel du circuit; ils indiquent le fonctionnement du circuit.

Lorsque j'utilise de tels circuits intégrés, je me retrouve souvent à suivre le «livre de cuisine» du fabricant. Cela devrait conduire à un circuit de travail dans la plupart des cas et souvent vous avez un circuit que vous pouvez plus ou moins intégrer dans votre conception tel quel.

Mais dans certains cas, je construis également un modèle SPICE pour une partie du circuit avec ses composants externes. Par exemple, réponse en fréquence de boucle de rétroaction dans un régulateur de tension, entrées de comparateur avec des sources de courant commutées en interne. Dans ce cas, j'utilise des éléments idéaux de la bibliothèque Spice et j'y ajoute les caractéristiques spécifiées de la fiche technique, par exemple une fuite d'entrée, une capacité, des diodes ESD. Pour les appareils numériques à grande vitesse, le fabricant propose souvent des modèles dits IBIS, qui modélisent le comportement électrique des entrées / sorties. Cela permet des analyses d'intégrité du signal (qui peuvent inclure le PCB en tant que composant).

Bien qu'il soit généralement vrai que vous ne trouverez souvent pas de modèles SPICE plus complexes, je voudrais mentionner la technologie linéaire / LTspice à titre d'exception, ils fournissent des modèles pour les circuits intégrés comme les contrôleurs PWM. D'autres fabricants vous proposent des outils de conception basés sur des feuilles de calcul ou sur le Web qui vous permettent par exemple des calculs d'efficacité.

Je comprends qu'il est courant dans la conception électronique de simuler un circuit dans un programme d'épices avant de le construire.

Je n'ai pas vu de simulation de carte entière utilisée, sauf pour les petits circuits simples. Au lieu de cela, la carte entière est analysée en parties et les méthodes les plus appropriées sont utilisées pour chaque partie. Par exemple, un système basé sur un microcontrôleur typique peut être analysé comme ceci:

• L'alimentation à découpage serait simulée dans SPICE
• Le chargeur de batterie basé sur IC serait conçu sur la base d'une fiche technique et de calculs manuels
• Le microcontrôleur serait connecté selon la fiche technique ou le schéma de l'exemple du fabricant
• L'antenne radio serait simulée dans un simulateur RF spécialisé, ou conçue selon les spécifications qu'un fabricant a déjà vérifiées

Et toutes les contraintes entre les pièces seraient vérifiées manuellement, comme «le microcontrôleur a besoin d'une alimentation d'au moins 200 mA» et «SMPS doit gérer une charge de 500 mA».

Dans mon expérience limitée, j'ai constaté que je n'ai pas besoin de simuler un système entier. Généralement, il n'y a qu'une petite partie du circuit difficile à comprendre. Et pour cela, la version démo de spice est généralement suffisante. De même, dans la modélisation par éléments finis, il n'y a qu'une petite partie de la structure de l'antenne qui est difficile à comprendre, donc la version de démonstration de FEMAP est suffisante.

En ce qui concerne votre problème de simulation particulier, Spice a des dispositions pour que vous puissiez construire votre propre modèle de tout appareil que vous aimez. Hélas, cela nécessite une compréhension un peu plus approfondie pour obtenir de bons résultats, mais cela peut être fait. (Je ne me souviens pas si la version de démonstration de spice prend en charge cela.)