SPICE модели диодов

Программа моделирования схем SPICE в процессе моделирование работы схем обеспечивает и моделирование работы диодов. Модели диодов основаны на характеристиках отдельных устройств, описанных в технических описаниях на конкретные продукты, и характеристиках технологических процессов, которые не указаны в описаниях на устройства. Некоторая информация, взятая из технического описания на 1N4004, приведена на рисунке ниже.

Определение диода начинается с имени элемента диода, которое должно начинаться с "d" плюс необязательные символы. Примеры имен элементов диодов: d1, d2, dtest, da, db, d101. Два номера узлов определяют подключение анода и катода, соответственно, к другим компонентам. За номерами узлов следует имя модели, ссылаясь на последующий оператор ".model".

Строка оператора модели начинается с ".model", за которым следует название модели, соответствующее одному или нескольким определениям диода. Затем "d" указывает, что работа диода должна моделироваться. Остальная часть объявления модели представляет собой список дополнительных параметров диода в виде ParameterName=ParameterValue. В примере 1 такие параметры не используются. В примере 2 определены несколько параметров. Список параметров диодов приведен в таблице ниже.

Основная форма:  d[имя] [анод] [катод] [название_модели]
                 .model ([название_модели] d [parmtr1=x] [parmtr2=y] . . .)
 
 Пример1:        d1 1 2 mod1
                 .model mod1 d
 
 Пример2:        D2 1 2 Da1N4004
                 .model Da1N4004 D (IS=18.8n RS=0 BV=400 IBV=5.00u CJO=30 M=0.333 N=2)

Самый простой подход для получения SPICE модели такой же, как и для получения технического описания: посмотрите на сайте производителя. В таблице ниже приведены параметры модели для некоторых диодов. Во втором случае можно создать SPICE модель по тем параметрам, которые указаны в техническом описании. Третий случай, который здесь не рассматривается, – это измерение параметров реального устройства. Затем вычислить, сравнить и подогнать параметры SPICE модели к результатам измерений.

Если параметры диода не указаны, как в первом примере выше, применяются параметры по умолчанию, взятые из таблиц выше и ниже. Это модели по умолчанию диодов в интегральных микросхемах. Они безусловно подходят для предварительной работы и с дискретными устройствами. Для более важной работы используйте SPICE модели, поставляемые производителем, поставщиками ПО SPICE и другими источниками.

В противном случае введите некоторые из параметров, приведенных в техническом описании. Сначала выберите значение для SPICE параметра N между 1 и 2. Это необходимо для диодного уравнения (n). Массобрио в книге “Semiconductor Device Modeling with SPICE” рекомендует «... n, коэффициент эмиссии обычно равен примерно 2». В таблице выше мы видим, что силовые выпрямительные диоды 1N3891 (12 А) и 10A04 (10 А) используют примерно 2. Первые четыре строки в таблице не актуальны, поскольку они представляют собой диод Шоттки, диод Шоттки, германиевый диод и кремниевый диод для малых сигналов, соответственно. Ток насыщения, IS, выводится из диодного уравнения, значения (V_D, I_D) на графике выше, и N=2 (n в диодном уравнении).

I_D = I_S (e^V_D/nV_T – 1)

V_T = 26 мВ (при температуре 25°C)

n = 2,0

V_D = 0,925 В (при 1 А на графике)

1 А = I_S (e^{(0,925 В)/(2)(26 мВ)} – 1)

I_S = 18,8E-9

Числовые значения IS=18.8n и N=2 приведены в последней строке таблицы выше для сравнения с моделью производителя 1N4004, что значительно отличается. По умолчанию RS установлено в значение 0. Это будет оценено позже. N, IS и RS являются важными статическими параметрами по постоянному току.

Рашид в книге “SPICE for Power Electronics and Electric Power” предлагает, чтобы TT, t_D, время перехода, было аппроксимировано из восстанавливаемого заряда Q_RR, параметра из технического описания (в нашем случае недоступного) и I_F, прямого тока.

I_D = I_S (e^V_D/nV_T – 1) t_D = Q_RR/I_F

Мы принимаем TT=0 из-за отсутствия Q_RR. Хотя было бы разумно взять TT, как у аналогичного выпрямительного диода 10A04, 4.32u. TT диода 1N3891 не подходит, так как выпрямителем с быстрым восстановлением. CJO, емкость перехода при нулевом смещении оценивается по графику зависимости C_J от V_R, который приведен выше. Емкость при ближайшем на графике к нулю напряжении составляет 30 пФ при 1 В. Если моделировать отклик на высокоскоростные переходы, как в импульсных источниках питания, то в модели должны быть учтены параметры TT и CJO.

Коэффициент плавности перехода M связан с профилем легирования перехода. Он не содержится в техническом описании устройств. Мы выбираем M = 0.333, что соответствует линейной плавности перехода. Мощные выпрямительные диоды в таблице выше используют более низкие значения M.

Мы берем значения по умолчанию для VJ и EG. Многие другие диоды используют VJ=0.6, что показано в таблице выше. Однако выпрямительный диод 10A04 использует значение по умолчанию, которое мы будем использовать для нашей модели 1N4004 (1N4001 тех. описание в таблице выше). Используйте значение по умолчанию EG=1.11 для кремниевых и выпрямительных диодов. В таблице выше приведены значения для диодов Шоттки и германия. Возьмите XTI=3, стандартный температурный коэффициент IS для кремниевых устройств. Для XTI диодов Шоттки смотрите таблицу выше.

Выдержка из технического описания, показанная на рисунке выше, приводит I_R = 5 мкА и V_R = 400 В, соответствующие IBV=5u и BV=400, соответственно. Параметры SPICE модели 1n4004, полученные из технического описания, перечислены в последней строке таблицы выше для сравнения с моделью производителя, указанной выше. BV необходим только в том случае, если моделирование производится при обратном напряжении, превышающем обратное напряжение пробоя диода, как в случае со стабилитронами. IBV, обратный ток пробоя, часто опускается, но может быть введен, если приведен и BV.

На рисунке ниже показана схема для сравнения модели производителя, модели, полученной из технического описания, и модели по умолчанию, использующей параметры по умолчанию. Для измерения токов через диоды необходимы три фиктивных источника 0 V. Источник 1 V изменяет своё выходное напряжение от 0 до 1,4 В с шагом 0,2 мВ. Смотрите инструкцию .DC в списке соединений в таблице ниже. DI1N4004 – это модель производителя, а Da1N4004 – модель, созданная нами.

Параметры списка соединений SPICE: (D1) DI1N4004 модель производителя, (D2) Da1N40004 модель, полученная из технического описания, (D3) модель по умолчанию:

*SPICE circuit <03468.eps> from XCircuit v3.20
D1 1 5 DI1N4004
V1 5 0 0
D2 1 3 Da1N4004
V2 3 0 0
D3 1 4 Default
V3 4 0 0
V4 1 0 1
.DC V4 0 1400mV 0.2m
.model Da1N4004 D (IS=18.8n RS=0      BV=400 IBV=5.00u CJO=30
+M=0.333   N=2.0  TT=0)
.MODEL DI1N4004 D (IS=76.9n RS=42.0m  BV=400 IBV=5.00u CJO=39.8p
+M=0.333 N=1.45 TT=4.32u)
.MODEL Default D
.end

Мы сравниваем три модели на рисунке ниже и данные графиков в таблице ниже. VD – это напряжение, подаваемое на диод для сравнения токов модели производителя, нашей расчетной модели и модели диода по умолчанию. Последний столбец "1N4004 график" – это данные из вольт-амперной характеристики из технического описания, которая приведена на рисунке выше, и с которой наши результаты должны совпадать. Сравнение токов трех моделей с последним столбцом показывает, что модель по умолчанию хороша при низких токах; модель производителя хороша при больших токах; а наша рассчитанная по техническому описанию модель лучше всего при токах до 1 А. Точка на 1 А почти идеальна, поскольку расчет IS основан на напряжении диода при 1 А. Наша модель сильно завышает значения тока выше 1 А.

Решение заключается в том, чтобы увеличить RS со значения по умолчанию, которое равно RS=0. Изменение RS от 0 до 8m в модели по техническому описанию приводит к тому, что кривая пересекает 10 А (здесь не показано) при том же напряжении, что и модель производителя. Увеличение RS до 28.6m смещает кривую дальше вправо, как показано на рисунке ниже. Это приводит к более точному соответствию нашей модели с графиком из технического описания (рисунок выше). В таблице ниже показано, что ток 1.224470e+01 А соответствует графику при 12 А. Однако ток при 0.925 В ухудшился с 1.096870e+00 до 7.318536e-01.

.model Da1N4004 D (IS=18.8n RS=28.6m  BV=400 IBV=5.00u CJO=30 
+M=0.333   N=2.0  TT=0)

Предлагаемое упражнение для читателя: уменьшить N так, чтобы ток при VD = 0,925 В был восстановлен до 1 А. Это может увеличить ток (12,2 А) при VD = 1,4 В, требуя увеличения RS для уменьшения тока до 12 А.

Стабилитрон. Существует два подхода к моделированию стабилитрона: установка в инструкции модели параметра BV на напряжение стабилитрона или моделирование стабилитрона с подсхемой, содержащей диодный фиксатор уровня, установленный на напряжение стабилитрона. Пример первого подхода устанавливает напряжение пробоя BV в значение 15 для модели стабилитрона 1n4469 на 15 В (IBV необязательно):

.model D1N4469 D ( BV=15 IBV=17m ) 

Второй подход моделирует стабилитрон с подсхемой. Фиксатор уровня D1 и VZ на рисунке ниже моделируют напряжение обратного пробоя 15 В стабилитрона 1N4477A. Диод DR учитывает в подсхеме проводимость стабилитрона при прямом смещении.

Туннельный диод. Туннельный диод может быть смоделирован с помощью SPICE подсхемы и пары полевых (JFET) транзисторов.

Диод Ганна. Диод Ганна также может быть смоделирован парой полевых транзисторов.

Подведем итоги

• Диоды описываются в SPICE с помощью инструкции компонента диода, относящейся к выражению .model. Инструкция .model содержит параметры, описывающие диод. Если параметры не указаны, модель использует значения по умолчанию.
• Статические параметры по постоянному току включают в себя N, IS и RS. Параметры обратного пробоя: BV, IBV.
• Для точного динамического моделирования требуются TT и CJO.
• Рекомендуется использовать модели, предоставляемые производителем.

Теги