Behavioral SPICE model of a synchronous buck DC-DC regulator : a hybrid approach

Given the increasing diffusion of DC-DC regulators inside many different types of appliance, in the last years the companies that design those appliances have constantly demanded to semiconductor manufacturers better tools to help them during their design phases. Similarly, also integrated circuits designers are struggling more and more during device development because ICs are increasingly becoming more difficult to design due to their growing complexity. A common solution for both these problems can be the development of a behavioral model of the integrated circuit on which both designer categories are working: that is, a piece of software that emulates the behavior of the real IC while being easier to handle and faster to simulate with respect to it. The main goal is to basically simplify what's complex by developing a higher-level model that can substitute the actual device (or just pieces of it) inside simulations and aid both IC and system engineers to solve their design problems and make more accurate decisions. More specifically, this thesis work will explain the development of a behavioral model of a synchronous buck DC-DC regulator, namely the A81805 designed by Allegro Microsystems: it will first present all the main characteristics of the device, then it will expose every detail of the model's internal structure and finally - to prove the model's validity - it will compare the data obtained by directly simulating the model with the data coming from simulations performed on the real IC in different use cases. The model will be developed by following a hybrid approach: some sections of it will be designed as plain circuit schematics whereas the remaining ones will be implemented as circuit blocks containing only code listings written in the Verilog-A Hardware Description Language (HDL), which is the analog extension of the digital-only Verilog HDL and lets the user to create analog circuits whose behavior is described by a code and not determined by a schematic. It will be shown that this strategy has proved to be very powerful and flexible while modeling also very specific and articulate IC behaviors.

Vista la crescente diffusione dei regolatori DC-DC all'interno di molte apparecchiature diverse, negli ultimi anni le società che progettano queste apparecchiature hanno costantemente richiesto ai produttori di semiconduttori strumenti migliori che possano aiutarli durante le fasi di progettazione. Analogamente, anche i progettisti di circuiti integrati stanno incontrando sempre maggiori difficoltà durante lo sviluppo dei loro dispositivi poiché essi stanno diventando sempre più difficili da progettare a causa della loro crescente complessità. Una comune soluzione ad entrambi questi problemi può essere lo sviluppo di un modello comportamentale del circuito integrato sul quale si trovano a lavorare entrambe le categorie di progettisti: ovvero, un software che emuli il comportamento dell'IC reale rimanendo più facile da maneggiare e più veloce da simulare rispetto a quest'ultimo. L'obiettivo principale è praticamente di semplificare ciò che è complesso, sviluppando un modello di più alto livello che possa sostituire il dispositivo vero (o solo parti di esso) all'interno delle simulazioni e aiutare sia i progettisti di integrati che gli ingegneri di sistema a risolvere i loro problemi di design e prendere decisioni più accurate. Più specificamente, questo lavoro di tesi vuole illustrare lo sviluppo di un modello comportamentale di un regolatore DC-DC buck sincrono, l'A81805 progettato da Allegro Microsystems: per prima cosa verranno presentate tutte le caratteristiche principali del dispositivo, successivamente verrà esposto ogni dettaglio riguardo la struttura interna del modello e infine, per provare la validità del modello stesso, verranno confrontati i dati ottenuti simulando direttamente il modello con i dati ricavati da simulazioni eseguite sull'IC vero in diverse casistiche d'uso. Il modello sarà sviluppato seguendo un approccio ibrido: alcune sezioni saranno progettate come semplici circuiti su schematico mentre le rimanenti saranno implementate come blocchi di circuito contenenti solamente listati di codice scritti nell'Hardware Description Language (HDL) Verilog-A, il quale è l'estensione analogica dell'HDL puramente digitale Verilog e permette all'utente di creare circuiti analogici il cui comportamento è descritto da un codice e non determinato da uno schematico. Verrà mostrato come questa strategia si è rivelata essere molto potente e flessibile durante la modellizzazione di comportamenti dell'IC anche molto articolati e specifici.