Schaltungsanalyse

Mit PSpice die Simulation, Dokumentation und das PCB-Layout optimieren

20.02.2008 | Autor / Redakteur: Paul Bischof* / Gerd Kucera

Mit der Spice-Schaltungssimulation können Prototypen und Messreihen virtuell aufgebaut und der Designzyklus stark verkürzt werden. Es lassen sich sogar Aussagen über die Streuung in der Fertigung vorhersagen und damit zuverlässige Produkte gezielt und kostenoptimiert designen.

Gratis Spice-Simulatoren gibt es viele, aber warum ist PSpice von Cadence dennoch am meisten verbreitet? Die Lösung ist die Industrialisierung der Software. Basierend auf dem theoretischen Code von der Universität Berkley wurde PSpice über Jahrzehnte in Zusammenarbeit mit Herstellern von Halbleitern und diskreten Bauteilen verfeinert und über die Schaltungen der Kunden an der Hotline verifiziert. Nur so lässt sich die deutlich bessere Übereinstimmung der Realität mit der Simulation erreichen als bei vielen anderen Simulatoren. Der universitärere Ansatz ist günstig, aber auch sehr stark idealisiert. Zum anderen gibt es in der neuen Version PSpice 16.0 diverse Erweiterungen der Funktionalität.

Die PSpice-Integration in den System-Designflow

PSpice ist jetzt in den System-Designflow der Leiterplatten-Designtools OrCAD und Allegro integriert, d.h. dass der Flow eine Schaltung im gleichen Schaltplan für die Simulation aufgebaut wird, der auch später zum Layout der Leiterplatte verwendet wird. Zusätzlich zur Simulation benötigte Symbole wie Spannungsquellen, Stromquellen oder Signalgeneratoren werden speziell nur für die Simulation markiert.

Sie können dann zur Dokumentation wahlweise ein oder ausgeblendet werden. Das hat den Vorteil, dass Annahmen für Eingangssignale, die bei der Simulation zu Beginn der Entwicklung gemacht wurden, im späteren Projektverlauf mit Messungen verglichen werden können. So lassen sich falsche Annahmen frühzeitig erkennen und Fehler noch im virtuellen Entwicklungsstadium beheben. Über die SLPS-Schnittstelle ist eine Software-Elektronik-Co-Simulation für FPGAs mit Matlab-Simulink möglich.

Die Verschlüsselung von Schaltungsteilen

Neu ist die Encryption oder Verschlüsselung von Schaltungsteilen und PSpice-Modellen. Diese Funktion ruft natürlich sofort eine große Diskussion bei Ingenieuren hervor. Jeder Entwickler möchte wissen, was er vor sich hat, wenn er simuliert. Und eine Verschlüsselung erlaubt es nicht die Details des verschlüsselten Blocks zu sehen. Aber Verschlüsselung wurde auch von mehreren deutschen PSpice-Kunden gefordert, die Ihre Schaltungsteile an einen Systemlieferanten zur Gesamtsimulation offen legen müssen.

Damit haben sie in der Vergangenheit auch ihr gesamtes Wissen über die Schaltung offengelegt und der Anwender könnte bei der nächsten Entwicklung dieses Knowhow auch an andere Lieferanten weitergeben. Daher ist die Verschlüsselung eine Möglichkeit, vertrauliche Daten, die der simulierende Entwickler nicht sehen soll, ihm trotzdem zur Verfügung zu stellen, ohne dass IP offengelegt wird.

Schaltung während der Simulation verändern

PSpice ist integriert in den System Design Flow von OrCAD und Allegro
PSpice ist integriert in den System Design Flow von OrCAD und Allegro

In PSpice 16.0 wurden die Mechanismen zur Konvergenz komplett überarbeitet. Elektrische Schaltungen lassen sich rechnerisch nicht einfach lösen, da es in vielen mathematischen Zwischenergebnissen Pol- und Sprungstellen gibt, die die Berechnungen dann nicht auf ein richtiges Ergebnis konvergieren lassen. In PSpice sind mehrere Solver integriert, die je nach Art der Schaltung das richtige Ergebnis liefern, sei es auch noch so kompliziert. Der erfahrene Anwender hat die Wahl, einen bestimmten Solver auszuwählen, jedoch wird diese Wahl meist dem Simulator überlassen der jetzt auch automatisch den richtigen Solver verwendet.

Diese Multisolver-Technologie ermöglicht es auch, eine laufende Simulation anzuhalten und Parameter der Schaltung während der Simulation zu verändern. Dies spart bei komplexen Schaltungen viel Simulationszeit. So kann der Zeitpunkt an dem die Simulation angehalten wurde auch erneut angefahren und die Simulation so mit mehreren verschiedenen Parametern optimiert werden.

Magnetische Effekte werden nachgebildet (etwa Hysterese)

Magnetische Hysterese tritt bei ferromagnetischen Materialien auf (beispielsweise bei Relais, Transformatoren, etc). PSpice simuliert in diesem Fall die magnetische Flußdichte B in einem ferromagnetischen Material in Abhängigkeit des umgebenden Magnetfeldes und ermittelt dabei reale Werte für die Hysteresiskurve unter Berücksichtigung der Sättigungsmagnetisierung und Remanenz. Im PSpice-Model-Editor können jetzt nichtlineare magnetische Kerne mit dem Tabrizi-Modell beschrieben werden.

Die Magie der Advanced Analysis

In mehreren Optimierungsläufen dimensioniert der PSpice - Optimizer die Bauteilwerte so, dass die vorgegebene Zielfunktion der Schaltung erfüllt wird.
In mehreren Optimierungsläufen dimensioniert der PSpice - Optimizer die Bauteilwerte so, dass die vorgegebene Zielfunktion der Schaltung erfüllt wird.

Die Mächtigkeit von Simulationen wird bei den Funktionen der PSpice Advanced Analysis deutlich. Der Simulator kann eine Schaltung daraufhin untersuchen, welche Bauteile den größten Einfluss (Sensitivity) auf die Ergebnisfunktion haben. Aus dieser sortierten Liste kann der Entwickler ablesen, wo er Tolleranzen der Bauteile sehr klein halten sollte, da diese Bauteile mit kleinen Änderungen der Parameter einen großen Einfluss haben. Bei weniger einflussreichen Bauteilen kann er hingegen durch große Toleranzen zu günstigeren Bauteilen wechseln und Kosten einsparen.

Mit der Optimizer-Funktion kann PSpice eine Schaltung, basierend auf einer vorgegebenen Zielfunktion, selbst dimensionieren. Soll etwa ein Tiefpass erstellt werden, kann der Anwender die Übertragungsfunktion grafisch als Frequenzgang durch wenige Punkte beschreiben. Der PSpice-Optimizer stellt dann die Werte der Bauteile so ein, dass die Kurven des Frequenzgangs deckungsgleich sind.

Um anschließend Werte und Toleranzen für die Fertigung zu bestimmen, kann mit PSpice-Monte Carlo die Streuung der Fertigungstoleranzen simuliert werden. Hierbei werden die Fertigungstoleranzen jedes Bauteils berücksichtigt und so verschiedene Szenarien mit Aussagen zum Worst Case durchgespielt. Das Ziel ist hier die Ausfallraten niedrig zu halten und Qualität bereits in der Entwicklung zum möglichst kleinsten Preis einzudesignen.

Im vierten Modul der Advanced-Funktionen, der sogenannten Smoke-Analyse, werden die Bauteile auf Ihre Stressbelastung untersucht. Das Verhältnis Leistung pro Zeit spielt hier eine große Rolle, ob ein Bauteil „abraucht“. Die Smokeanalyse warnt bei überlasteten Bauteilen und der Entwickler kann hier zum nächst größeren Vergleichstyp greifen, bzw. bei überdimensionierten Bauteilen die nächst kleinere Version verwenden, um Kosten und Platz zu sparen.

*Paul Bischof ist Senior Application Engineer bei FlowCAD in Feldkirchen und produktverantwortlich für PSpice in Zentral- und Osteuropa.

 

Schaltungssimulation mit PSpice

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