LTspice er Analog Devices’ effektive værktøj til en tidsbaseret og trinvis lineær kredsløbssimuleringsmodel. Trods et stort bibliotek over diskrete komponenter er ikke alle komponenter inkluderet på ethvert givent tidspunkt, som det blandt andet er tilfældet for GaN FET’erne (galliumnitrid). I effektstyringsdesigns bliver GaN FETs ofte brugt som switche. Ved at benytte et embedded modeludtryk kan man let få adgang til de nødvendige komponentmodeller i simuleringsfilen, hvad der letter samarbejde og fælles designarbejde. Følgende artikel foreslår en enkel, selvstændig og fuldstændigt portabel metode til sammenligning af forskellige GaN-komponenter i enhver LTspice-simuleringsfil
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 10 – 2025 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)
Af James R. Staley, senior manager, Power Product Applications, Analog Devices Inc.
Interessen for wide bandgap-komponenter (WBG) som galliumnitrid (GaN)- og siliciumkarbid (SiC) FETs er øget på det seneste på industrimarkederne. På grund af WBG-komponenternes dramatisk reducerede ladningskarakteristika giver GaN-komponenter meget høje effekttætheder ved højere switching-frekvenser, som ellers ville give voldsomme termiske tab i traditionelle MOSFETs ved drift under de samme forhold. Parallelkobling af MOSFETs er hverken pladsbesparende eller noget effektivt svar på disse problemer, og derfor er GaN FETs stadigt mere attraktive. Interessen for, hvordan disse komponenter yder, har ført til et tilsvarende behov for en præcis simulering af forskellige GaN-komponenter til optimering af en applikations ydelse. LTspice inkluderer IC-modeller af ADI’s nyeste DC/DC-controllere, der er optimeret til at styre GaN FETs. Dette design gør ingeniører i stand til at afgøre, hvilke GaN FETs, der egner sig bedst til en given applikation, ligesom de kan afprøve forskellige kombinationer for at finde den bedste ydelse.
En almindelig frustration, som mange oplever i valget af en FET-komponent, er, at produkttilgængeligheder og udvalget fra multiple producenter ændrer sig hurtigere, end softwaren for de grundlæggende komponentbiblioteker kan opdateres. Det gør pludselig brugeren ansvarlig for at styre biblioteket af kundespecifikke symboler og komponenter. Det er tidskrævende og fjerner opmærksomheden fra det væsentlige, nemlig at finde en ideel løsning til en given applikation. Desuden bliver projektsamarbejder vanskeliggjort, hvis der ikke er en synkronisering i komponentbiblioteket for de komponenter, man ønsker at anvende.
Portable kredsløb tilgængelige nu
Men der findes eksempler på portable kredsløb inden for GaN FET-komponenter allerede nu på produkt landing-pagen på http://www.analog.com. Som vist i figur 1 er en LTC7891 konfigureret til 12V, 240W-drift med brug af et par EPC2218 GaN FETs. Denne fil kan downloades og køre direkte uden ændringer i komponentbiblioteket overhovedet. Den funktion, som gør modellen selvstændig og portabel, er, at de GaN FETs, som bruges under simulering, optræder som sub-kredsløbsmodeller. De anvendte symboler er standardsymboler af NMOS-typen (typisk for LTspice-installationer), og hver af dem skal konfigureres til at pege på et .sub direktivudtryk, der er det samme modelnavn.
Hvis en designer ønsker at evaluere en alternativ model, så er processen enkel og efterlader LTspice-filen fuldt ud så portabel for evaluering blandt andre medlemmer af designteamet, som da den blev downloaded. Hvis der bliver placeret yderligere komponenter, er processen helt den samme.
Ekstrakt af modeldata
Til at begynde med er en modelbiblioteksfil – leveret af producenten – nødvendig for at ekstrahere modeldata. For en let reference er denne web-placering inkluderet i alle kredsløbseksempler på landing-pagen for effektprodukter. Figur 2 viser en liste over eksempler på komponentmodeller fra producenten af EPC2218A. For at kunne demonstrere denne proces er EPC2218A-komponenter valgt som eksempel. Downloads fra de fleste producenter kommer normalt med adskillige filer. Inkluderet er også symbol-fil og eksempel-fil. Vi er interesserede i biblioteksfilen (figur 3). Hvis den bliver åbnet direkte, så åbner per default også en biblioteks-installer, men det er ikke den foretrukne metode. Målet er ikke at skulle tilføje flere komponentsymboler og komponenter i et lokalt bibliotek, som siden skal styres/håndteres. I stedet vil vi bruge de data, som er indeholdt i biblioteksfilerne direkte. Åbning af denne med brug af et hvilket som helst grundlæggende tekst-editor-værktøj (Notepad eller lignende) gør det muligt at få adgang til data uden at skulle installere et bibliotek.
Biblioteksfilen har en lang liste af subkredsløbs tekstmodeller, der alle begynder med .subckt [modelnavn] … og slutter med .ends. Ved at bruge en find-funktion i systemet kan man finde den model, man ønsker at indsætte i sit Spice-kredsløb med kopi af alt fra .subckt til .ends. I editoren skal man åbne en .sp Spice-statement box og paste den til sin egen statement box. Det er ofte nyttigt at mindske størrelsen af den pastede tekst, så den fylder mindre i det overordnede tegningsområde. Placér eller editér et eksisterende standard NMOS-symbol, der allerede befinder sig i tegningsområdet for at linke til den pastede subkredsløbs-modeltekst.
Nødvendige ændringer i attributter
For at udføre ovennævnte så tryk på ”control” og højreklik på NMOS-symbolet. Der dukker nu en tabel over egenskaber op, som vist i figur 4, og man skal nu udføre flere ændringer i de væsentligste attributter. Først skal Prefix-attributten ændres til x. Det tvinger LTspice til at søge lokalt efter en model og det .subkt-kald, hvor det ønskede navn bliver brugt i stedet for. Næste skridt er at ændre Value-attributten, så den præcis matcher modelnavnet efter .subkt i den første linje af den pastede tekst. InstName-attributten kan efter ønske ændres til den præference, brugeren måtte have (Q, G, etc.). Default er NM, men disse er dog ikke NMOS FETs, når de først er blevet konfigureret som GaN-komponenter.
De sidste detaljer
De sidste detaljer for at gøre modellen fuldt funktionel i Spice-filen er at sikre, at den beskrevne net-beskrivelse i den pastede modeltekst matcher den beskrivelse, der gælder for den standard NMOS-komponent, der er inkluderet i LTspice. Standard NMOS-modellen oplister Drainin Gatein Sourcein som betegnelse for pin-nummeret på NMOS-komponenten. Visse modeller, som leveres fra GaN-producenter varierer herfra med hensyn til deres inkluderede symboler og modeller. Innoscience bruger for eksempel Gate Drain Source, mens EPC anvender Gatein Drainin Sourcein. Uanset hvordan navnet eller net-beskrivelsen er oplistet af producenten, så kan den tilpasses til LTspice-betegnelsen ved ganske enkelt at omskrive den pastede tekst, så den matcher Drainin Gatein Sourcein-betegnelsen. Den her beskrevne og inkluderede subkredsløbsmetode er ikke afhængig af symboler, komponenter eller modelbiblioteker, og så har ændringer af beskrivelsen for at matche LTspice ikke længere nogen betydning. Filen kan deles og åbnes i enhver kopi af LTspice, også hvis en lokal installation har default- eller modificerede biblioteker for den samme komponent.
Sidste skridt for enhver modifikation er at sikre sig, at modellen opfører sig som forventet. Efter at have kørt en komplet simuleringsfil, læg mærke til gate- og switch-kurveformerne for at verificere simuleringen og opstille et benchmark, som man kan sammenligne de faktiske målte kurveformer mod. Det er vigtigt at huske på, at simuleringer – uanset hvor præcise modellerne måtte være – kun er værktøjer, der skal spare tid og forhindre dyre fejltagelser og give et overordnet indblik i de konkrete hardwarefunktioner. Opsamling af data fra en fungerende hardware er i sidste ende den ultimative verificering af simuleringens resultater. Sammenlign nu resultaterne fra evaluerings-boardet (figur 5) for LTC7891 med evalueringen med Spice-simulering for switchens stige- og faldtider (figur 6). Den overordnede dead-time er ganske præcis, men de parasitiske elementer i den aktuelle hardware og måleværktøjerne er ikke til stede i simuleringen.
Netop derfor er det vigtigt at starte med simulering og slutte med en bench-evaluering. Gate-modstandene kan ikke optimeres i LTspice uden en nøjagtig model for de parasitiske elementer, som lederbanerne på printet danner. Det kan man kun opnå med omhyggelige måleteknikker på en konkret hardware for at fuldende designet. Men importen af GaN-modellen er et vigtigt første skridt i denne designproces.
Konklusion
Med GaN-komponentmodellerne i LTspice – fra en hvilken som helst komponentproducent, der leverer modellerne – kan gøres nem og enkel og gå uden om drilsk biblioteksstyring, hvis den overfor beskrevne metode i denne artikel kommer i brug. På den måde kan man som kredsløbsdesigner fokusere på den præcise simulering af komponenter fremfor at ende i de frustrationer, som ofte er forbundet med symboler, komponenter og biblioteksstyring. De filer, som bliver opbygget med denne metode, kan gentages og deles af enhver, der bruger LTspice, og dokumentere de designkoncepter med GaN-baseret effektkonvertering, som nu er i fokus hos slutkunderne.
Billedtekster:
Figur 1: GaN-baseret LTspice-eksempel på et kredsløb med EPC2218 FETs som en subkredsløbmodel.
Figur 2: Producents GaN-modelbibliotek med lister over eksempel til rådighed for download.
Figur 3: Downloadede biblioteksfiler fra EPC.
Figur 4: Tryk ”control” og højreklik på standard NMOS-komponenten for at åbne tabellen over attributter for at bruge den indsatte subkredsløbs modeltekst.
Figur 5: Smart near-zero dead-time indstillingsmålinger i EVAL-LTC7891-BZ-hardwaren.
Figur 6: Smart near-zero dead-time indstilling af simulerings-waveforms fra kredsløbseksemplet.
