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¿Cómo se simulan normalmente los circuitos que utilizan circuitos integrados complejos?

Tengo entendido que es práctica común en el diseño electrónico simular un circuito en algún programa spice antes de construirlo. A veces un proyecto requiere el uso de circuitos integrados complejos, por ejemplo, un circuito integrado que realiza el control de carga de una batería Li-Po o un circuito integrado que actúa como controlador PWM. Los fabricantes generalmente no ponen a disposición modelos spice de este tipo de componentes complejos. Me gustaría saber de algún ingeniero/diseñador electrónico qué hace en esta situación. ¿Cómo se simula un circuito de este tipo? ¿O se trata más bien de trabajar con los diseños del fabricante que figuran en la sección de aplicaciones de la hoja de datos y confiar en que los diseños funcionen? ¿Quizá se abstraen estos circuitos integrados y se simulan otras partes del circuito con el tipo de señal de salida que proporcionarían?

Apreciaría cualquier ejemplo práctico del mundo real de su experiencia en diseño electrónico para ilustrar cómo se aborda la simulación de circuitos que hacen uso de circuitos integrados que no tienen modelos spice disponibles.

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Dan Mills Puntos 381

Según mi experiencia, el uso generalizado de la simulación de placas enteras es mayoritariamente un mito fuera de las simulaciones de física en RF.

La simulación es la mejor opción para el diseño de circuitos integrados, por supuesto, porque los costes de creación de prototipos son una locura, y para todo lo que implique diseño HDL, pero no tanto para la electrónica en general.

La simulación es muy útil para cosas como los filtros y los bucles de control, en los que hay que asegurarse de que los puntos de corte y los desfases son los esperados, pero normalmente se trata de una pequeña masa de media docena de piezas que se pueden simular de forma aislada.

Los intentos de simular una placa entera de complejidad razonable tienden a fracasar, ya sea en estabilidad numérica o simplemente en tiempo de ejecución, que explota en cuanto empiezas a añadir parásitos razonables.

Por lo general, se simulan las partes de las que no se está seguro, lo que suele suponer menos del 10% del diseño (el resto es "ingeniería de hojas de datos" de fuentes de alimentación y sistemas de entrada/salida).

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Peter Smith Puntos 2292

Aunque existen muchas herramientas, las dos formas principales de simulación son analógicas (SPICE, LTSPICE o Simetrix por ejemplo) y la integridad de la señal (con algo como Hyperlynx si tienes los bolsillos muy llenos).

Existen herramientas de análisis de potencia, pero he visto algunos resultados muy Impares que aparentemente no se corresponden con la realidad física.

Existen herramientas de señal mixta, aunque la parte digital tiende a ser comportamental.

Los problemas a los que nos enfrentamos son:

1 No existe ningún modelo de simulación para la pieza. Si usted tiene una hoja de datos completa puede hacer una puñalada decente en rodar su propio o utilizar una parte que hace tener un modelo. Crear tu propio modelo para cualquier cosa que no sea trivial lleva mucho tiempo.

Tenga en cuenta que todo lo que vaya más allá de un primitivo (diodo, transistor o simple pasivo) es un comportamiento que refleja el funcionamiento del dispositivo en estado continuo. Véase nota de aplicación para lo que realmente hay en dicho modelo. Ten en cuenta que cosas como las ferritas y los choques son muy complejas; aunque se pueden modelar como un circuito (para lograr la respuesta en la hoja de datos) puede llevar mucho tiempo.

2 Tiempo de ejecución. He simulado toda la ruta de alimentación de un asiento eyectable para incluir el DEE y baterías térmicas como parte de una revisión independiente de la seguridad de la electrónica del secuenciador. Como los cables de los circuitos de control y disparo eran bastante largos, se modelaron como devanados de transformador poco acoplados. El circuito contenía unos 40 elementos y ocupaba (en una máquina multinúcleo de gama alta) más de 1.000 millones de euros. 30 horas para hacer una sola carrera transitoria.

3 Algunas partes del circuito no son realmente adecuadas para la simulación o no deberían necesitarla. Si tengo una simple etapa de aislamiento optoacoplada para conmutar un interruptor de control, no debería necesitar simulación si las hojas de datos se han utilizado correctamente (por supuesto, eso es un tema completamente diferente, ya que he visto muchos diseños en los que no era así).

4 En la simulación de integridad de la señal, la mayoría de los simuladores no tienen en cuenta que las impedancias controladas son +/-10% en el mejor de los casos, y se varían de una capa a otra. Este tipo de simulaciones son útiles para ver los problemas a grandes rasgos, pero aún así te puedes cebar con esos detalles. Además, la mayoría de los simuladores no pueden modelar la ruta de retorno (aunque las simulaciones posteriores al diseño están mejorando).

5 Prácticamente todos los modelos de simulación compromisos para reflejar el caso de uso más común; he tenido que modificar los modelos significativamente para ver el comportamiento del caso de la esquina.

Un sistema de placa completa (o a menudo multiplaca) sería prohibitivo en términos de tiempo de ejecución, por lo que sólo se simulan las partes que nos interesa comprobar.

Otra cuestión es que, en el caso de los macromodelos, el comportamiento de arranque no está definido en muchos casos y ningún simulador del mundo servirá de ayuda si el comportamiento de arranque es crítico (como puede serlo en equipos críticos para la seguridad de vuelo): simplemente hay que medirlo.

No cabe duda de que las simulaciones pueden ayudar a los diseñadores, pero no son perfectas ni mucho menos. actual funcionamiento del circuito; son indicativos del funcionamiento del circuito.

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Sacha K Puntos 196

Cuando utilizo este tipo de circuitos integrados, suelo seguir el "libro de recetas" del fabricante. En la mayoría de los casos, así se consigue un circuito que funciona y que se puede integrar más o menos en el diseño tal cual.

Pero en algunos casos, también construyo un modelo SPICE para una parte del circuito con sus componentes externos. Por ejemplo, la respuesta de frecuencia del bucle de realimentación en un regulador de tensión, entradas de comparador con fuentes de corriente conmutadas internamente. En estos casos utilizo elementos ideales de la biblioteca de Spice y añado las características especificadas en la hoja de datos, por ejemplo, fugas de entrada, capacitancia, diodos ESD. En el caso de los dispositivos digitales de alta velocidad, el fabricante suele proporcionar los denominados modelos IBIS, que modelan el comportamiento eléctrico de las entradas/salidas. Esto permite realizar análisis de integridad de la señal (que pueden incluir la placa de circuito impreso como componente).

Aunque en general puede ser cierto que a menudo no encontrarás modelos SPICE más complejos disponibles, me gustaría mencionar a Linear Technology/LTspice como una excepción, ellos proporcionan modelos para circuitos integrados como controladores PWM. Otros fabricantes ofrecen herramientas de diseño basadas en web u hojas de cálculo que permiten, por ejemplo, calcular la eficiencia.

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Paul Puntos 101

Tengo entendido que es práctica común en el diseño electrónico simular un circuito en algún programa spice antes de construirlo.

No he visto que se utilice la simulación de placa completa, salvo para circuitos pequeños y sencillos. En su lugar, se analiza toda la placa por partes y se utilizan los métodos más adecuados para cada una de ellas. Por ejemplo, un sistema típico basado en un microcontrolador podría analizarse así:

  • La fuente de alimentación conmutada se simularía en SPICE
  • El cargador de batería basado en un circuito integrado se diseñaría a partir de la hoja de datos y los cálculos manuales.
  • El microcontrolador se conectaría según la hoja de datos o el esquema de ejemplo del fabricante
  • La antena de radio se simularía en un simulador de radiofrecuencia especializado, o se diseñaría de acuerdo con las especificaciones que un fabricante ya ha verificado.

Y cualquier restricción entre las piezas se verificaría manualmente, como "el microcontrolador necesita al menos 200 mA de alimentación" y "la SMPS debe soportar 500 mA de carga".

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richard1941 Puntos 101

En mi limitada experiencia, he comprobado que no es necesario simular todo un sistema. Generalmente, sólo hay una pequeña parte del circuito que es difícil de entender. Y para eso, la versión demo de spice suele ser suficiente. Del mismo modo, en el modelado de elementos finitos, sólo hay una pequeña parte de la estructura de la antena que es difícil de entender, por lo que la versión demo de FEMAP es suficiente.

En cuanto a tu problema concreto de simulación, spice tiene disposiciones para que construyas tu propio modelo del dispositivo que quieras. Por desgracia, esto requiere una comprensión algo más profunda para obtener buenos resultados, pero se puede hacer. (No recuerdo si la versión demo de spice soporta esto).

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