寄生特性引入电源设计仿真

两大动力设计挑战将团队带入了陌生领域。宽带隙(WBG)半导体的目标是更高的效率和密度。更严格的EMI合规法规现在成为关键任务行业的标准。电源设计实践仍在迎头赶上。在成功之前，模拟通常要比重制硬件原型退居其次。缺少什么可以让模拟成为更好的选择?寄生特性，一种来自射频设计模拟的技术，现在使功率设计模拟足够精确，可以取代树脂。

在即将于3月20日至24日在休斯顿举行的2022年应用电力电子会议(APEC)上，Keysight Technologies的两场演讲的共同主题是在电源设计工作流程中添加增强的仿真。第一个是与领先的碳化硅(SiC)芯片供应商Wolfspeed共同举办的关于分析和优化开关模式电源(SMPS)中印制线路板(PWB)效果的行业会议。第二个是关于在SMPS中使用部分饱和电感(PSIs)的技术会议，由来自意大利两所大学的研究团队共同提出。两者都利用了提取PWB寄生的思想来模拟性能和EMI。

平行SiC半桥布局，由Wolfspeed提供。

字里行间，寄生更为突出

过去，模拟PWB模拟器是由原理图驱动的。互连只是线路，没有任何寄生元素。组件具有与其主要功能相匹配的性能模型，但封装和片上的寄生电容和电感在很大程度上被忽略了。在更高频率下工作的RF模拟社区首先遇到了这些问题，并建立了诸如2½D电磁(EM)求解器等新技术，用于布局、电介质堆叠、通径、封装等。

更快的交换一直是SMPS设计愿景的一部分。现在，SiC和GaN部件能够提供更大的功率，更低的阻抗和更坚固的开关边缘可以实现更高的工作频率。副作用是寄生项，曾经淹没在物理阻抗项，现在上升突出。

寄生特性可以超越传统SPICE模拟，这些模拟过于简化模型，无法得到准确的结果。KeysightPathWave ADS PEPro将其rf级EM求解器用于提取耦合矩阵，然后将这些寄生反馈到原理图中，然后详细模拟更准确的PWB表示。

沃尔夫斯比德与行业顾问艾伦·帕列夫斯基博士合作，与Keysight公司合作，展示了暴露寄生对结果的影响。他们的KIT-CRD-HB12N-J1半桥使用两个SiC mosfet在4层PWB上并行传输10kW @ 60khz。它构成了同步和异步降压和升压SMPS拓扑的构建块。

Wolfspeed的一个关键参数是V_DS响频率。半桥在65mhz振铃时测量的物理DUT。源路径中有两项:电流探测线，计算在10 nH，以及布局中的电感。在SPICE模拟中，Palevsky必须手动捏造额外的16 nH的源电感来匹配65 MHz的结果。在Keysight PathWave ADS PEPro参考设计上的仿真与寄生提取匹配65 MHz的振铃声。

Wolfspeed和Keysight将于3月24日(周四)上午9:45 - 10:45在APEC工业会议IS19.4上探索更多寄生特性的模拟结果。

寄生和PSIs与EMI分析

卡西诺大学和萨莱诺大学的团队正在扩展他们的EMI课程，深入研究SMPS设计中的轻负载运行损耗降低(LLO-LR)技术。通常，电磁干扰的最坏情况是考虑最大负载条件。顾名思义，LLO-LR可以改变参数，包括降低开关频率。这些旨在保持效率的更改可能会恶化EMI。

psi可以帮助提高SMPS密度，减少去饱和LLO下的电流纹波，缓解EMI。毫不奇怪，在各种非最大负载条件下测量物理测试设置上的EMI，并准确地找出SMPS问题所在可能是耗时的。捕获跨负载配置文件的PSI所发生的情况也很困难。但这些场景都是模拟的完美用例-再次使用Keysight PathWave ADS PEPro。自动寄生提取精确的PWB建模产生真实的EMI仿真结果。PEPro将预先配置的EMI合规性配置文件覆盖在模拟结果上，并通过几个快速操作直观地显示结果在各种市场和应用中可能遇到的问题。

用于此工作的DUT是德州仪器的参考(或评估)板，TI-PMLK BUCK板及其TPS54160 BUCK调节器。TP54160具有脉冲跳过功能，在较轻的负载下延长开关占空比。通过在Keysight PathWave ADS PEPro中对电路板进行建模，研究人员通过模拟观察到一些有趣的现象。板上几十飞法拉的寄生电容可以欺骗调节器，使其在较高负载的不适当时间发生脉冲跳变。反过来，这导致在峰值电流控制的稳压器和相应的EMI峰值中产生意想不到的共振。

与TPS54160 TI-PMLK巴克教育董事会的简化示意图,礼貌。

发现PWB上的寄生电容会显著改变该配置的EMI评估。来自萨莱诺大学和卡西诺大学的教授将于3月24日(周四)上午11:30 -下午1:30在APEC技术会议-对话D02.1上讨论他们的论文和完整的研究结果。

用更好的技术重新参与模拟

这两项研究让我们了解了为什么SMPS设计团队应该考虑将带有寄生特性的模拟添加到他们的工作流程中。Keysight从射频设计中重新利用的专业知识使电源设计能够实现更好的建模和仿真。从未进行过模拟或发现缺乏模拟的团队应该重新使用改进的技术。开发宽带隙SiC或GaN技术的团队将暴露出寄生现象，在转向物理原型之前需要更好的模型和仿真来发现问题。

欲知更多有关2022年亚太经合组织及各会议的资料:

应用电力电子会议(亚太经合组织)
休斯顿，乔治布朗会议中心，3月20-24日
Keysight科技公司，1738号展位