[发明专利]一种新的快速电源环路稳定性仿真的方法

说明书

本发明公开了一种新的快速电源环路稳定性仿真的方法，在电源环路稳定性仿真时，使用分布式模型建模，抽取S参数。由于现有技术的仿真方法中，对电源网络寄生参数的抽取会占用大量的时间，因此本发明提出的方法更为简洁且有效，将数周的仿真时间缩短至一天内完成，且仿真结果的正确性也能得到保证。

技术领域

本发明属于电路仿真领域，更具体地，涉及电源环路稳定性仿真。

背景技术

随着社会经济的发展以及科学技术的进步，人们对电子产品的需求越来越大，对产品的质量以及使用体验要求也越来越高，特别是消费电子如手机、PAD等。产品小型化以及性能增强之间的矛盾越来越不可调和。开关电源作为电子产品的“动力中心”，从以前的分立式到现在的电源模块以及专用的电源IC，由原来的外置电感，到现在将电感集成到IC中，开关电源的集成度越来越高，这在另一方面也是消费类电子产品以及其他特殊场景电子产品小型化的必然要求。电子产品性能强劲，势必要求提高IC的工作频率，这必然会提高该IC的功耗，目前由于绿色环保以及部分电池供电的产品，对于低功耗又有着强烈的需求。因此IC必然使用先进的IC工艺，如高通、海思等主流手机SOC芯片，已经使用7nm工艺来设计芯片。这种先进工艺生产出来的IC，通常是低电压，大电流的，特别现在可以达到0.7V、15A的电源需求，这就会使得对应供电的PMU（Power Manager Unit）提供如此大的功率，同时由于手机自身体积的限制，又要要求PMU的体积尽量小，提高开关电源的开关频率成为一种行之有效的办法。随着开关频率的提高，随之带来了一系列的问题，如开关功耗升高导致效率降低， 电源芯片发热，以及电源环路稳定性的问题等等。

目前针对电源环路稳定性仿真主要方法是通过H-SPICE等晶体管级仿真工具，使用电源IC的Spice模型，再针对spice模型的管脚，配置外围的电路，搭建整个电源IC的电路网表，然后仿真得出表征电源环路稳定性的两个最重要的参数曲线：相位曲线以及增益曲线，如附图1中所示。具体仿真过程如图2所示：第一步，确认仿真网络；第二步，确认器件的仿真模型，同时分段抽取仿真网络RLC参数；第三步，检查仿真模型以及仿真网络RLC参数的正确性；第四步，搭建仿真网表；第五步，如果仿真通过则结束，如果不通过则再次执行第二步。现有技术中的仿真方法以PCB版图为例的仿真过程、抽象拓扑图以及得到的相位曲线以及增益曲线分别如图3、图4和图5所示。在图3中， 开关电源和负载芯片的位置如图所示，有完整的电源平面从开关电源的输出到负载芯片。在该电源网络中，电容分布集中分布再三块区域，区域电容C0位电源输出端，这里的电容主要是容值比较大，起平滑滤波作用的电容；区域电容C1位于负载芯片外围，主要是一些容值较大，放置芯片去耦小电容去耦效果不足时抑制瞬态效应的电容；区域电容C2主要是为满足负载芯片AC性能要求的去耦电容，主要以 1uF的小电容，这些小容值的去耦电容都尽量靠近电源管脚放置，以减小ESL的影响，优化负载芯片的AC性能。综合以上对仿真电源网络的分析，将上面的PCB版图抽象为可以仿真的拓扑结构，在建模过程中，不可能将分散的电容逐一进行建模，考虑电源网络的频率主要集中在低频段，这里采取集总结构，将集中放置电容的地方作为一个点，分散单个电容的地方忽略不计，根据这一原则，抽象出的拓扑结构如图4所示。R0、L0是开关电源输出管脚到第一个大电容之间走线的寄生参数，C0为距离电源最近的输出电容，数量可能是一个或者多个； R1和L1为电容C0区域与电容C1区域之间电源网络的寄生参数；R2、L2是电容区域C1和电容区域C2之间的电源网络寄生参数，各个电容区域的电容个数根据实际放置；R3和R4是远端反馈和近端反馈点切换的跳线电阻，这两条走线为一对差分走线。至此完成了网络拓扑的确认，以此搭建仿真拓扑。接下里需要获取开关电源的SPICE模型和分段的电源网络的RLC参数（低频下C为高阻抗，可近似为开路，这里仅考虑参数RL），出于仿真参数精度的考虑，这里选择ANSYS公司的HFSS Q3D作为参数抽取对象，分别抽取拓扑中每段电源网络的寄生参数，参数设置为： 频率范围： 10KHz --- 10MHz, 步长： 100KHz。在获取抽取的寄生参数后， 然后根据确定的网络拓扑，搭建SPICE网表，启动仿真，最终得到表征环路稳定性的增益曲线及相位曲线。从而判断该电源反馈环路是否稳定。一般来说，正常负载条件下，闭环回路增益为0dB，相位裕度应该大于45度，如果输入电压，负载及温度变化范围非常大，相位裕度不应小于30度。在相位接近为0deg时，闭环回路增益裕度应大于7dB，为远离不稳定点，增益裕度最好大于12dB，以保证其环路的稳定性。如果仿真结果不理想，可以通过调整环路参数，如电容位置，反馈走线以及其他影响因素等，然后再重新仿真，直到仿真结果满足环路稳定性判断标准。