摘要
LTspice® 是ADI公司的一款强大工具，用于执行基于时间的分段线性电路模型仿真。它自带大量分立元件库，但并非所有元件都包含在从ADI下载时提供的默认库中，例如氮化镓(GaN) FET就不在其中。对于电源控制器设计，GaN FET通常用作开关。合作者只需将嵌入式模型声明纳入仿真文件中，便可轻松使用必要的器件模型，从而简化协作和设计共享。本文提出了一种简单、独立自足且完全可移植的方法，用于在任意LTspice仿真文件中比较不同类型的GaN器件。
引言
近年来，工业电源市场对氮化镓(GaN) FET和碳化硅(SiC) FET等高带隙器件的兴趣日益浓厚。GaN器件凭借显著降低的电荷特性，能够在较高开关频率下实现高功率密度，而MOSFET在相同条件下运行时会产生巨大的热损耗。在相同条件下，并联MOSFET并不能节省空间或提升效率，因此GaN FET成为一种颇具吸引力的技术。业界对GaN器件性能表现的关注，相应地催生了对各种GaN器件进行准确仿真以优化应用性能的需求。LTspice包含ADI最新DC-DC控制器的IC模型，针对GaN FET驱动进行了优化。借助这些模型，设计工程师可以确定哪种GaN FET最适合特定应用，并尝试不同的组合以获得理想性能。
用户在选择FET器件时，常常遇到这样的困扰：多家供应商的产品供货和选型变化速度甚至超过了软件原生元件库的更新速度，导致用户无所适从。最终，用户不得不自行管理自定义的符号和器件库，以至于分散了用户为特定应用寻找最佳方案的的宝贵时间。此外，如果设计团队中有人没有对元件库进行同步，可能会阻碍团队间的协作。
现在，在analog.com的产品专题页面上，提供了GaN FET器件的此 类可移植电路的示例。如图1所示，LTC7891采用一对EPC2218 GaN FET，配置为12 V、240 W工作模式。此文件可直接下载并运行，器件库无需任何更改。它之所以独立自足且可移植，是因为仿真中使用的GaN FET是作为子电路模型加以引用。使用的符号是标准NMOS类型符号，任何LTspice版本都支持这些符号，而且每个符号都已配置为指向同一模型名称的.sub指令语句。
如果设计人员希望评估其他模型，操作起来也相当简单，并且LTspice文件仍然像下载时一样可移植，方便其他团队成员进行评估。如果放置了其他器件，过程也一样。首先，需要一个模型库文件（由供应商提供）来提取模型数据。为了便于参考，电源产品专题页面上提供的所有示例电路都包含了此网址。图2 所示为EPC2218A供应商提供的器件模型列表示例。为了演示该过程，我们选择EPC2218A器件作为示例。大多数供应商提供的下载内容通常包含多个文件。此外还有符号文件和示例文件。我们关注的是库文件（图3）。如果直接打开库文件，则会打开默认库安装程序，这不是推荐的做法。我们的目标是不必向本地库中添加更多元件符号和器件，从而无需进行管理。因此，我们将直接使用库文件中包含的数据。利用任何基本文本编辑器工具（比如记事本）打开库文件，以获取其中的数据而不执行库安装。
库文件里列出了很多子电路文本模型，所有模型都以.subckt [模型名称]开头，以.ends结尾。使用系统自带的查找功能，找到要插入SPICE电路的模型，并复制从.subckt到.ends的所有内容。在编辑器中打开一个.sp SPICE语句框，然后将复制的内容粘贴到语句框中。为使粘贴的文本在整体编辑区域中不那么突兀，缩小文本尺寸通常很有帮助。放置或编辑已在编辑区域中的现有标准NMOS符号，以链接到所粘贴的子电路模型文本。
为此，请按下Ctrl键并右键单击NMOS符号。随即出现一个属性表，如图4所示。现在必须更改几个关键属性。首先，需要将Prefix属性更改为x。这会强制LTspice在本地查找模型，并调用具有指定名称的.subkt。接下来，更改Value属性，使之与所粘贴文本的第一行中.subkt之后的模型名称完全一致。InstName属性可以根据用户的偏好进行更改（Q、G等）；默认为NM，但一旦配置为GaN器件，这些就不再是NMOS FET。
为使模型在SPICE文件中能够正常工作，最后还需要注意一个细节：确保所粘贴的模型文本的网络顺序约定与LTspice中包含的标准NMOS器件的顺序相匹配。标准NMOS模型使用Drainin Gatein Sourcein作为NMOS器件上引脚编号的约定。部分GaN供应商提供的一些模型，所包含的符号和顺序可能与此惯例有所不同。例如，Innoscience使用Gate Drain Source，而EPC使用Gatein Drainin Sourcein。无论供应商如何列出名称或网络顺序，都可以简单地将粘贴的文本重新排序来匹配LTspice的约定，使之与Drainin Gatein Sourcein的约定相一致。由于此处介绍的子电路方法不依赖于任何符号、器件或模型库，因此是否重新排序以匹配约定无关紧 要。即使本地安装中包含相同器件的默认库或修改后的库，该文件仍然可以被任何LTspice副本共享和打开。
对任何修改而言，最后一步都是确认模型能够按照预期正常运行。运行修改完毕的仿真文件后，观察栅极和开关波形以验证仿真结果，并提供一个基准来与实测波形进行比较。务必记住，无论模型多么准确，仿真终究只是工具，其作用是帮助设计人员节省时间，避免发生高成本失误，深入了解实际硬件的运行情况。从实际运行的硬件中获取数据，始终是验证仿真结果的最终手段。将LTC7891评估板的结果（图5）与开关上升和下降过程的SPICE仿真评估结果（图6）进行比较。总死区时间相当准确，但实际硬件和测量工具的寄生参数在仿真中并不存在。
为此，必须坚持“始于仿真、终于基准评估”的原则。如果模型没有准确刻画PCB走线所产生的寄生效应，就无法在LTspice中优化栅极电阻。为了实现优化并最终完成设计，唯有对实际硬件进行细致的测量。导入GaN模型便是此过程的第一步。
结论
只要采用本文建议的方法，在LTspice中使用任何元件制造商提供的GaN器件模型都会很简单，而且可以避免繁琐的库管理工作。这样一来，电路设计人员便能专注于器件的精确仿真，而无需为符号、器件和库的管理而烦恼。对应采用此方法创建的文件，任何LTspice用户都能轻松复用和共享。因此，现在终端用户关注的重点是如何运用基于GaN的功率转换技术来验证设计构想。