LTspice基础教程-022.从MOS管提取参数生成spice模型

纵向双扩散器件 VDMOS(Vertical Double-diffused Metal Oxide Semiconductor)和横向双扩散器件LDMOS(Lateral Double-diffused MOSFET)是高压MOS发展过程中的两种主要结构。

在LTspice中内置了一些MOS模型,很多时候我们实际选用的MOS可能库中没有。我们可以从供应商的网站上找到一些器件的模型,但大部分是子电路模型。这些模型可以工作,但模拟运行太慢而无法完全使用。LTspice使用的VDmos模型不是子电路,而是使用模型语句的新的内置设备模型。进行了一些改进,从而使模拟运行更快。这里感谢国外一大师Hendrik Jan Zwerver,开发了一个小工具,LTspice_MOS Tool.exe,可以从MOS的数据手册提取参数生成MOS的spice模型。点此进入下载。

由于软件版本较老,可能会缺少很多组件。如果提示缺少TABCTL32.OCX,将附件的TABCTL32.OCX文件复制一份到C:\Windows\System32;如果是64位系统,同时复制一份到C:\Windows\SysWOW64,然后注册。
以管理员身份运行cmd,输入以下命令:regsvr32 TABCTL32.OCX,回车;如果提示注册失败,输入regsvr32 C:\Windows\SysWOW64\TABCTL32.OCX,回车。
不同系统可能缺少的文件不一样,但都可参考上述方法补全。

下面介绍如何使用该软件。运行软件如下:
MOS Tool
我们主要设置DC characteristics以及AC characteristics两个选项卡参数。Lib manager选项卡提供库管理功能。
Lib manager

我们以英飞凌的一颗TOLL封装的MOS(IPT020N10N3,若链接失效请到官网搜索)为例进行介绍LTspice自建MOSFET模型,这颗MOS在LTspice中已经提供了模型,我们可以对比自己制作的模型与系统自带的模型有多大区别。
首先给MOS模型取名,选择MOS类型:
命名
然后根据数据手册查找Rdson、阈值电压以及内部栅极电阻:
Rds
如下手册,我们选取Rdson在Vgs测试电压为10V条件下测得的标准值1.7mΩ,Vgsth为2.7V,Rg为1.9Ω。
Electrical characteristics
如果数据手册没有给出Rg,可以点击Rg后面的问号,会弹出一个计算器,估算Rg:
估算Rg
然后输入传输特性参数。此处要参照3张图,output characteristics、transfer characteristics以及gate charge。
Transfer Characteristics
第一对参数应选择米勒平台电压以及对应的测试电流,某些datasheet可能已经给出了米勒平台电压,如果没有给出就只能从下图读取了。
gate charge
gate charge characteristics
第二对参数需要选择一个比较高的门极电压以及对应的漏极电流,我们选取1000A这个点,找对应的Vgs:
选取第二组参数
这里分享一个小技巧,直接在图表上读数很难读准,我们可以利用屏幕标尺小工具(附件提供下载)进行测量计算,如下图:
Vgs测量
Vds Test电压根据手册Transfer Characteristics图表进行计算,如上图注释,Vds>2 * Id * Rdsonmax,即2 * 1000A * 2mΩ=4V。
然后输入Output Characteristics参数,该参数不是用来计算模型的,我们填入MOS的耐压即可。
Output Characteristics
然后输入Body diode DC forward characteristics,如下图,共需要三组数据,我们可以从手册的Forward characteristics of reverse diode读取数据。注意前两组数据应尽量选小,第三组选大一点,这样有利于提高计算精度。当然,从图表上还是很难读取到准确数据,有条件的可以使用电流源+数字万用表进行实测。
Body Diode DC Forward
Body Diode DC Forward
接下来我们点击Update,只要下方的Transfer中有一组Vgs和Id以及Rdson能与我们输入的参数非常接近即可,如果差别较大,我们应该调整LAMBDA参数或者取消勾选Don’t change Vto,然后再次Update,直到调整出合适的参数。
更新模型
然后我们切换到AC characteristics选项卡:
AC characteristics
首先输入Typical Capacitance,第二组参数最容易,根据数据手册的Dynamic characteristics填写即可:
Dynamic characteristics
第一组参数和第三组参数需要从图表上去读数,其中第三组参数需要选取一个尽量高的电压值:
Typ. capacitances
Gate charge characteristics test conditions 以及 Body diode reverse recovery可以直接从数据手册读取:
body diode
然后我们切换到VDmos Model选项卡,点击Update model即可生成模型。
VDmos Model

我们对比一下系统自带库模型,看看区别多大,这里贴出自建库:

.MODEL IPT020N10N3_Alt VDMOS(KP=184.7946 RS=0.0 RD=0.0009 RG=1.9 VTO=3.26 
+LAMBDA=0.001 CGDMAX=5560p CGDMIN=7p CGS=11131p TT=84n a=0.7
+IS=6.62E-10 N=1.205 RB=0.000479 m=0.87 Vj=9.47 Cjo=9600.0pF)

贴出系统自带库模型:

.model IPT020N10N3 VDMOS(Rg=1.4 Vto=3.7 Rd=600u Rs=818.3u Rb=480u
+Mtriode=1.6 Kp=360 Lambda=.07 Cgdmin=1p Cgdmax=3n A=.3 Cgs=12n Cjo=10n
+M=.45 Is=60p VJ=.5 N=1.1 ksubthres=.1 mfg=Infineon Vds=100 Ron=1.7m Qg=156n)

我们可以看到两者的区别还是蛮大的。使用该工具创建的MOS模型不知是否可信。如果有资源可以让厂家提供测试数据,从数据手册图表读取数据太难。

工具来源于网络,如果使用错误欢迎指正,好的经验也欢迎共享。

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