近年來(lái)，工業(yè)電源市場(chǎng)對(duì)氮化鎵(GaN) FET和碳化硅(SiC) FET等高帶隙器件的興趣日益濃厚。GaN器件憑借顯著降低的電荷特性，能夠在較高開(kāi)關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)高功率密度，而MOSFET在相同條件下運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的熱損耗。在相同條件下，并聯(lián)MOSFET并不能節(jié)省空間或提升效率，因此GaN FET成為一種頗具吸引力的技術(shù)。業(yè)界對(duì)GaN器件性能表現(xiàn)的關(guān)注，相應(yīng)地催生了對(duì)各種GaN器件進(jìn)行準(zhǔn)確仿真以?xún)?yōu)化應(yīng)用性能的需求。LTspice包含ADI最新DC-DC控制器的IC模型，針對(duì)GaN FET驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了優(yōu)化。借助這些模型，設(shè)計(jì)工程師可以確定哪種GaN FET最適合特定應(yīng)用，并嘗試不同的組合以獲得理想性能。

用戶(hù)在選擇FET器件時(shí)，常常遇到這樣的困擾：多家供應(yīng)商的產(chǎn)品供貨和選型變化速度甚至超過(guò)了軟件原生元件庫(kù)的更新速度，導(dǎo)致用戶(hù)無(wú)所適從。最終，用戶(hù)不得不自行管理自定義的符號(hào)和器件庫(kù)，以至于分散了用戶(hù)為特定應(yīng)用尋找最佳方案的的寶貴時(shí)間。此外，如果設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)中有人沒(méi)有對(duì)元件庫(kù)進(jìn)行同步，可能會(huì)阻礙團(tuán)隊(duì)間的協(xié)作。

現(xiàn)在，在analog.com的產(chǎn)品專(zhuān)題頁(yè)面上，提供了GaN FET器件的此 類(lèi)可移植電路的示例。如圖1所示，LTC7891采用一對(duì)EPC2218 GaN FET，配置為12 V、240 W工作模式。此文件可直接下載并運(yùn)行，器件庫(kù)無(wú)需任何更改。它之所以獨(dú)立自足且可移植，是因?yàn)榉抡嬷惺褂玫腉aN FET是作為子電路模型加以引用。使用的符號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)NMOS類(lèi)型符號(hào)，任何LTspice版本都支持這些符號(hào)，而且每個(gè)符號(hào)都已配置為指向同一模型名稱(chēng)的.sub指令語(yǔ)句。

圖1. 基于GaN的LTspice示例電路，EPC2218 FET作為子電路模型加以引用

如果設(shè)計(jì)人員希望評(píng)估其他模型，操作起來(lái)也相當(dāng)簡(jiǎn)單，并且LTspice文件仍然像下載時(shí)一樣可移植，方便其他團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)行評(píng)估。如果放置了其他器件，過(guò)程也一樣。首先，需要一個(gè)模型庫(kù)文件（由供應(yīng)商提供）來(lái)提取模型數(shù)據(jù)。為了便于參考，電源產(chǎn)品專(zhuān)題頁(yè)面上提供的所有示例電路都包含了此網(wǎng)址。圖2 所示為EPC2218A供應(yīng)商提供的器件模型列表示例。為了演示該過(guò)程，我們選擇EPC2218A器件作為示例。大多數(shù)供應(yīng)商提供的下載內(nèi)容通常包含多個(gè)文件。此外還有符號(hào)文件和示例文件。我們關(guān)注的是庫(kù)文件（圖3）。如果直接打開(kāi)庫(kù)文件，則會(huì)打開(kāi)默認(rèn)庫(kù)安裝程序，這不是推薦的做法。我們的目標(biāo)是不必向本地庫(kù)中添加更多元件符號(hào)和器件，從而無(wú)需進(jìn)行管理。因此，我們將直接使用庫(kù)文件中包含的數(shù)據(jù)。利用任何基本文本編輯器工具（比如記事本）打開(kāi)庫(kù)文件，以獲取其中的數(shù)據(jù)而不執(zhí)行庫(kù)安裝。

圖2. 可供下載的供應(yīng)商GaN模型庫(kù)列表示例

圖3. 從EPC下載的庫(kù)文件

庫(kù)文件里列出了很多子電路文本模型，所有模型都以.subckt [模型名稱(chēng)]開(kāi)頭，以.ends結(jié)尾。使用系統(tǒng)自帶的查找功能，找到要插入SPICE電路的模型，并復(fù)制從.subckt到.ends的所有內(nèi)容。在編輯器中打開(kāi)一個(gè).sp SPICE語(yǔ)句框，然后將復(fù)制的內(nèi)容粘貼到語(yǔ)句框中。為使粘貼的文本在整體編輯區(qū)域中不那么突兀，縮小文本尺寸通常很有幫助。放置或編輯已在編輯區(qū)域中的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)NMOS符號(hào)，以鏈接到所粘貼的子電路模型文本。

為此，請(qǐng)按下Ctrl鍵并右鍵單擊NMOS符號(hào)。隨即出現(xiàn)一個(gè)屬性表，如圖4所示?，F(xiàn)在必須更改幾個(gè)關(guān)鍵屬性。首先，需要將Prefix屬性更改為x。這會(huì)強(qiáng)制LTspice在本地查找模型，并調(diào)用具有指定名稱(chēng)的.subkt。接下來(lái)，更改Value屬性，使之與所粘貼文本的第一行中.subkt之后的模型名稱(chēng)完全一致。InstName屬性可以根據(jù)用戶(hù)的偏好進(jìn)行更改（Q、G等）；默認(rèn)為NM，但一旦配置為GaN器件，這些就不再是NMOS FET。

圖4. 按下Ctrl鍵并右鍵單擊標(biāo)準(zhǔn)NMOS器件以打開(kāi)屬性表，進(jìn)而使用插入的子電路模型文本

為使模型在SPICE文件中能夠正常工作，最后還需要注意一個(gè)細(xì)節(jié)：確保所粘貼的模型文本的網(wǎng)絡(luò)順序約定與LTspice中包含的標(biāo)準(zhǔn)NMOS器件的順序相匹配。標(biāo)準(zhǔn)NMOS模型使用Drainin Gatein Sourcein作為NMOS器件上引腳編號(hào)的約定。部分GaN供應(yīng)商提供的一些模型，所包含的符號(hào)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(wú)論供應(yīng)商如何列出名稱(chēng)或網(wǎng)絡(luò)順序，都可以簡(jiǎn)單地將粘貼的文本重新排序來(lái)匹配LTspice的約定，使之與Drainin Gatein Sourcein的約定相一致。由于此處介紹的子電路方法不依賴(lài)于任何符號(hào)、器件或模型庫(kù)，因此是否重新排序以匹配約定無(wú)關(guān)緊 要。即使本地安裝中包含相同器件的默認(rèn)庫(kù)或修改后的庫(kù)，該文件仍然可以被任何LTspice副本共享和打開(kāi)。

對(duì)任何修改而言，最后一步都是確認(rèn)模型能夠按照預(yù)期正常運(yùn)行。運(yùn)行修改完畢的仿真文件后，觀察柵極和開(kāi)關(guān)波形以驗(yàn)證仿真結(jié)果，并提供一個(gè)基準(zhǔn)來(lái)與實(shí)測(cè)波形進(jìn)行比較。務(wù)必記住，無(wú)論模型多么準(zhǔn)確，仿真終究只是工具，其作用是幫助設(shè)計(jì)人員節(jié)省時(shí)間，避免發(fā)生高成本失誤，深入了解實(shí)際硬件的運(yùn)行情況。從實(shí)際運(yùn)行的硬件中獲取數(shù)據(jù)，始終是驗(yàn)證仿真結(jié)果的最終手段。將LTC7891評(píng)估板的結(jié)果（圖5）與開(kāi)關(guān)上升和下降過(guò)程的SPICE仿真評(píng)估結(jié)果（圖6）進(jìn)行比較?？偹绤^(qū)時(shí)間相當(dāng)準(zhǔn)確，但實(shí)際硬件和測(cè)量工具的寄生參數(shù)在仿真中并不存在。

圖5. EVAL-LTC7891-BZ硬件上的智能死區(qū)時(shí)間近零設(shè)置測(cè)量

圖6. 示例電路的智能死區(qū)時(shí)間近零設(shè)置仿真波形

為此，必須堅(jiān)持“始于仿真、終于基準(zhǔn)評(píng)估”的原則。如果模型沒(méi)有準(zhǔn)確刻畫(huà)PCB走線(xiàn)所產(chǎn)生的寄生效應(yīng)，就無(wú)法在LTspice中優(yōu)化柵極電阻。為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)化并最終完成設(shè)計(jì)，唯有對(duì)實(shí)際硬件進(jìn)行細(xì)致的測(cè)量。導(dǎo)入GaN模型便是此過(guò)程的第一步。

結(jié)論

只要采用本文建議的方法，在LTspice中使用任何元件制造商提供的GaN器件模型都會(huì)很簡(jiǎn)單，而且可以避免繁瑣的庫(kù)管理工作。這樣一來(lái)，電路設(shè)計(jì)人員便能專(zhuān)注于器件的精確仿真，而無(wú)需為符號(hào)、器件和庫(kù)的管理而煩惱。對(duì)應(yīng)采用此方法創(chuàng)建的文件，任何LTspice用戶(hù)都能輕松復(fù)用和共享。因此，現(xiàn)在終端用戶(hù)關(guān)注的重點(diǎn)是如何運(yùn)用基于GaN的功率轉(zhuǎn)換技術(shù)來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)構(gòu)想。