摘要
LTspice® 是ADI的一款強大工具，主要用於執行基於時間的分段線性電路模型模擬。其自帶大量分立元件庫，但並非所有元件都包含在從ADI下載時提供的默認庫中，例如氮化鎵(GaN) FET就不在其中。對於電源控制器設計，GaN FET通常用於開關。合作者只需將嵌入式模型聲明納入模擬檔中，便可輕鬆使用必要的元件模型，進而簡化協作和設計共用。本文提出了一種簡單、獨立自足且完全可移植的方法，用於在任意LTspice模擬檔中比較不同類型的GaN元件。
引言
近年來，工業電源市場對氮化鎵(GaN) FET和碳化矽(SiC) FET等高帶隙元件的興趣日益濃厚。GaN元件憑藉顯著降低的電荷特性，能夠在較高開關頻率下實現高功率密度，而MOSFET在相同條件下運行時會產生高度的熱損耗。在相同條件下，並聯MOSFET並不能節省空間或提升效率，因此GaN FET成為一種頗具吸引力的技術。業界對GaN元件性能表現的關注，相應地催生了對各種GaN元件進行準確模擬以優化應用性能的需求。LTspice包含ADI最新DC-DC控制器的IC模型，針對GaN FET驅動進行了優化。藉由這些模型，設計工程師可以確定哪種GaN FET最適合特定應用，並嘗試不同的組合以獲得理想性能。
用戶在選擇FET元件時，常常遇到這樣的困擾：多家供應商的產品供貨和選型變化速度甚至超過了軟體原生元件庫的更新速度，導致使用者無所適從。最終，使用者不得不自行管理自訂的符號和元件庫，以至於分散了用戶為特定應用尋找最佳方案的的寶貴時間。此外，如果設計團隊中有人沒有對元件庫進行同步，可能會阻礙團隊間的協作。
現在，在analog.com的產品專題頁面上，提供了GaN FET元件的此類可移植電路的示例。如圖1所示，LTC7891採用一對EPC2218 GaN FET，配置為12 V、240 W工作模式。此檔可直接下載並運行，元件庫無需任何更改。其之所以獨立自足且可移植，是因為模擬中使用的GaN FET是作為子電路模型加以引用。使用的符號是標準NMOS類型符號，任何LTspice版本都支援這些符號，而且每個符號都已配置為指向同一模型名稱的.sub指令語句。
圖1. 基於GaN的LTspice示例電路，EPC2218 FET作為子電路模型加以引用
如果設計人員希望評估其他模型，操作起來也相當簡單，並且LTspice檔仍然像下載時一樣可移植，方便其他團隊成員進行評估。如果放置了其他元件，過程也一樣。首先，需要一個模型庫檔（由供應商提供）來擷取模型資料。為了便於參考，電源產品專題頁面上提供的所有示例電路都包含了此網址。圖2 所示為EPC2218A供應商提供的元件模型清單示例。為了展示該過程，我們選擇EPC2218A元件作為示例。大多數供應商提供的下載內容通常包含多個檔案。此外還有符號檔和示例檔。我們關注的是庫檔（圖3）。如果直接打開庫檔，則會打開預設庫安裝程式，這不是推薦的做法。我們的目標是不必向本地庫中增加更多元件符號和元件，進而無需進行管理。因此，我們將直接使用庫檔中包含的資料。利用任何基本文字編輯器工具（比如記事本）打開庫檔，以獲得其中的資料而不執行庫安裝。
圖2. 可供下載的供應商GaN模型庫清單示例
圖3. 從EPC下載的庫文件
庫檔裡列出了很多子電路文本模型，所有模型都以.subckt [模型名稱]開頭，以.ends結尾。使用系統自帶的查找功能，找到要插入SPICE電路的模型，並複製從.subckt到.ends的所有內容。在編輯器中打開一個.sp SPICE語句框，然後將複製的內容貼上至語句框中。為使貼上的文本在整體編輯區域中不那麼突兀，縮小文本尺寸通常很有幫助。放置或編輯已在編輯區域中的現有標準NMOS符號，以連結到所貼上的子電路模型文本。
為此，請按下Ctrl鍵並按右鍵NMOS符號。隨即出現一個屬性工作表，如圖4所示。現在必須更改幾個關鍵屬性。首先，需要將Prefix屬性更改為x。這會強制LTspice在本地查找模型，並調用具有指定名稱的.subkt。接下來，更改Value屬性，使之與所貼上的文本的第一行中.subkt之後的模型名稱完全一致。InstName屬性可以根據使用者的偏好進行更改（Q、G等）；預設為NM，但一旦配置為GaN元件，這些就不再是NMOS FET。
圖4. 按下Ctrl鍵並按右鍵標準NMOS元件以打開屬性工作表，進而使用插入的子電路模型文本
為使模型在SPICE檔中能夠正常工作，最後還需要注意一個細節：確保所貼上的模型文本的網路順序約定與LTspice中包含的標準NMOS元件的順序一致。標準NMOS模型使用Drainin Gatein Sourcein作為NMOS元件上接腳編號的約定。部分GaN供應商提供的一些模型，所包含的符號和順序可能與此慣例有所不同。例如，Innoscience使用Gate Drain Source，而EPC使用Gatein Drainin Sourcein。無論供應商如何列出名稱或網路順序，都可以簡單地將貼上的文本重新排序來對應LTspice的約定，使之與Drainin Gatein Sourcein的約定相互一致。由於此處介紹的子電路方法不依賴於任何符號、元件或模型庫，因此是否重新排序以對應約定無關緊要。即使本地安裝中包含相同元件的默認庫或修改後的庫，該檔仍然可以被任何LTspice副本共用和打開。
對任何修改而言，最後一步都是確認模型能夠按照預期正常運行。運行修改完畢的模擬檔後，觀察閘極和開關波形以驗證模擬結果，並提供一個基準來與實測波形進行比較。務必記住，無論模型多麼準確，模擬終究只是工具，其作用是協助設計人員節省時間，避免發生高成本失誤，深入瞭解實際硬體的運行情況。從實際運行的硬體中獲得資料，始終是驗證模擬結果的最終手段。將LTC7891評估板的結果（圖5）與開關上升和下降過程的SPICE模擬評估結果（圖6）進行比較。總死區時間相當準確，但實際硬體和測量工具的寄生參數在模擬中並不存在。
圖5. EVAL-LTC7891-BZ硬體上的智慧死區時間近零設置測量
圖6. 示例電路的智慧死區時間近零設置模擬波形
為此，必須堅持「始於模擬、終於基準評估」的原則。如果模型沒有準確刻畫PCB佈線所產生的寄生效應，就無法在LTspice中優化閘極電阻。為了實現優化並最終完成設計，唯有對實際硬體進行細緻的測量。導入GaN模型便是此過程的第一步。
結論
透過本文建議的方法，在LTspice中使用任何元件製造商提供的GaN元件模型將會非常簡單，而且也可以避免繁瑣的庫管理工作。如此一來，電路設計人員便能專注於元件的精確模擬，而無需為符號、元件和庫的管理而煩惱。對應採用此方法創建的檔，任何LTspice用戶都能輕鬆複用和共用。因此，現在終端使用者關注的重點，將是如何運用基於GaN的功率轉換技術來驗證設計構想。
