摘要
LTspice® 是 Analog Devices 提供的一款功能強大、基於時間的分段線性電路模型模擬工具。儘管它附帶了龐大的分離式元件庫，但在從 ADI 下載時提供的庫存元件庫中，並未包含所有元件，例如氮化鎵（GaN）FET。在電源控制器設計中，GaN FET 常被用作開關。透過整合嵌入式模型敘述（Embedded Model Statement），合作者可以輕鬆地在模擬檔案中存取所需的元件模型，從而簡化協作與設計共享。本文提出了一種簡單、獨立且完全可攜的方法，以便在任何 LTspice 模擬檔案中比較不同的 GaN 元件類型。
簡介
近年來，工業電源市場對氮化鎵（GaN）FET 和碳化矽（SiC）FET 等寬能隙元件的興趣日益增加。由於其電荷特性顯著降低，GaN 元件能在更高的切換頻率下提供高功率密度，而 MOSFET 若在相同條件下運作則會產生巨大的熱損耗。在這些條件下，並聯 MOSFET 並非節省空間或提高效率的選項，這也是為何 GaN FET 成為一項極具吸引力的技術。人們對這些元件效能的興趣，引發了精確模擬各種 GaN 元件以優化應用效能的相應需求。LTspice 包含了 ADI 最新的 DC-to-DC 控制器 IC 模型，這些模型針對驅動 GaN FET 進行了優化。這使設計工程師能夠確定哪種 GaN FET 最適合其特定應用，並嘗試各種組合以獲得最佳效能。
使用者常遇到的一個挫折是，當產品可用性以及來自多個供應商的選擇變化速度快於軟體更新原生元件庫的速度時，選擇 FET 元件會變得困難。這使得使用者必須自行負責管理自定義符號和元件的元件庫。這可能會分散使用者的注意力，耗費時間，而偏離了為特定應用尋找理想解決方案的目標。此外，當設計團隊中的每個人都沒有同步的元件庫時，協作可能會受到阻礙。
具有 GaN FET 元件的此類可攜式電路範例現已可在 analog.com 的產品頁面上取得。如圖 1 所示，LTC7891 配置為使用一對 EPC2218 GaN FET 進行 12 V、240 W 的運作。此檔案無需任何元件庫變更即可下載並直接執行。使其具有獨立性和可攜性的特點在於，模擬中使用的 GaN FET 是被參考為一個次電路（Subcircuit）模型。所使用的符號是標準的 NMOS 類型符號，這是任何 LTspice 安裝版本中始終都有的，且每個符號都已配置為指向具有相同模型名稱的 .sub 指令敘述。
圖 1. 以 GaN 為基礎的 LTspice 範例電路，採用具有次電路模型的 EPC2218 FET。
如果設計者希望評估不同的模型，過程很簡單，並且讓 LTspice 檔案保持與下載時一樣的可攜性，以供任何其他團隊成員進行評估。如果放置了額外的元件，過程也是相同的。首先，需要供應商提供的模型庫檔案來提取模型數據。為了方便參考，此網路位置包含在電源產品登陸頁面上提供的所有範例電路中。圖 2 顯示了來自 EPC2218A 供應商的元件模型列表示例。為了演示此過程，選擇 EPC2218A 元件作為範例。大多數供應商的下載內容通常包含多個檔案。其中也包含符號檔案和範例檔案。我們感興趣的是library檔案（圖 3）。如果直接開啟此檔案，預設的庫安裝程式會開啟，這不是首選方法。目標是不必將更多元件符號和元件新增到必須隨後管理的本地元件庫中。相反，我們將直接使用library檔案中包含的數據。使用任何基本的文字編輯器工具（如記事本等）開啟此檔案，以便在不執行library安裝的情況下獲取數據。
圖 2. 可供下載的供應商 GaN 模型庫列表示例。
圖 3. 從 EPC 下載的Library檔案。
庫檔案有一長串的次電路文字模型，所有模型都以 .subckt [模型名稱]… 開頭，並以 .ends 結尾。使用系統原生的搜尋功能，找到欲插入 SPICE 電路中的模型，並複製從 .subckt 到 .ends 的所有內容。在編輯器中，開啟一個 .spSPICE 敘述框，然後將其貼上到敘述框中。通常將貼上的文字縮小尺寸會很有用，這樣在整體繪圖空間中就不會那麼顯眼。放置或編輯繪圖空間中現有的標準 NMOS 符號，以連結到貼上的次電路模型文字。
要完成此操作，請按住 Ctrl 鍵並右鍵點擊 NMOS 符號。屬性表將會出現，如圖 4 所示，現在必須進行幾個關鍵屬性的變更。首先，「Prefix」（前綴）屬性需要更改為 x。這會強制 LTspice 在本地尋找模型，並改為使用具有所需名稱的 .subckt 調用。接下來，將「Value」（值）屬性更改為與貼上的文字第一行中 .subckt 之後的模型名稱完全相符。可以選擇將「InstName」（實例名稱）屬性更改為使用者偏好的任何名稱（Q、G 等）；預設為 NM，但一旦配置為 GaN 元件，這些就不再是 NMOS FET 了。
圖 4. 按住 Ctrl 鍵並右鍵點擊標準 NMOS 元件以開啟屬性表，來使用插入的次電路模型文字。
使模型在 SPICE 檔案中完全運作的最後一個細節，是確保貼上的模型文字的「網路順序慣例（Net Order Convention）」與 LTspice 中包含的標準 NMOS 元件的順序相符。標準 NMOS 模型將 Drainin Gatein Sourcein（汲極輸入 閘極輸入 源極輸入）列為 NMOS 元件上引腳編號的慣例。一些 GaN 供應商提供的模型及其包含的符號與此有所不同。例如，Innoscience 使用 Gate Drain Source（閘極 汲極 源極），而 EPC 使用 Gatein Drainin Sourcein。無論提供者如何列出名稱或網路順序，都可以透過簡單地重新排列貼上的文字以匹配 Drainin Gatein Sourcein 的慣例，使其符合 LTspice 的慣例。由於此處概述的包含次電路方法不依賴於使用任何符號、元件或模型庫，因此這種重新排列以進行匹配不再重要。即使本地安裝具有相同元件的預設或修改過的元件庫，該檔案也可以被任何 LTspice 副本共享和開啟。
任何修改的最後一步是確保模型按預期正常運作。執行完畢的模擬檔案後，觀察閘極和開關波形以驗證模擬，並提供一個基準來比較實際測量的波形。重要的是要記住，模擬——無論模型多麼精確——都只是節省時間、防止代價高昂的錯誤以及深入了解實際硬體如何運作的工具。從運作中的硬體收集數據始終是模擬結果的最終驗證。比較 LTC7891 評估板（圖 5）與評估 SPICE 模擬的開關上升和下降結果（圖 6）。整體的Dead Time相當準確，但模擬中不存在實際硬體和測量工具的寄生元件（Parasitic Elements）。
圖 5. EVAL-LTC7891-BZ 硬體上的智慧型近零死區時間設定測量結果。
圖 6. 來自範例電路的智慧型近零Dead Time設定模擬波形。
這就是為什麼從模擬開始並以工作台評估結束是很重要的。如果沒有 PCB 走線產生的寄生元件的精確模型，就無法在 LTspice 中優化閘極電阻。這只能透過對實際硬體進行仔細的測量技術來完成，以定案設計。匯入 GaN 模型是此過程的第一步。
結論
如果採用本文建議的方法，在 LTspice 中使用來自任何提供元件模型的製造商的 GaN 元件模型可以是簡單的，並能避免元件庫管理的麻煩。這使得電路設計師能夠專注於元件的精確模擬，而不是與符號、元件和元件庫管理相關的挫折。使用此方法建立的檔案可以被任何使用 LTspice 的人重複使用和共享，驗證基於 GaN 的電源轉換設計概念現在是終端使用者的關注焦點。
關於作者
James R. Staley 是 Analog Devices 的資深產品應用工程經理。他畢業於北卡羅來納州立大學（North Carolina State University），獲得主修奈米技術的電機工程學士學位（B.S.E.E.），並且是 Eta Kappa Nu 榮譽學會成員，擁有超過 25 年的半導體產業經驗。他曾在 Linear Technology 和 Analog Devices 擔任應用工程、銷售應用工程和系統工程職位。他目前的重心是工業和精密儀器電源系統。James 和他的家人居住在北卡羅來納州羅利（Raleigh）地區。
