ModelicaSpice: Dymola/Modelica Bibliothek zur Simulation analoger elektronischer Schaltungen

Kurzbeschreibung

Spice ist heute der weitverbreitetste und erfolgreichste Simulator elektronischer Analogschaltkreise. Es gibt verschiedene Dialekte von Spice (Hersteller von Spice Simulatoren), die sich vor allem in den Modellen der aktiven Halbleiterelemente (Transistoren) unterscheiden. Die erfolgreichsten unter ihnen sind PSpice und HSpice.

Obwohl einige neuere Spice Versionen Möglichkeiten anbieten, auch gemischt analoge und digitale Schaltkreise zu simulieren, sind alle gängigen Spice Systeme geschlossene Softwaresysteme, die es z.B. nicht ermöglichen, mechatronische (gemischt mechanische und elektronische) Modelle zu simulieren.

Die Dymola/Modelica Platform bietet sich als eine ansprechende Alternative an, da in dieser Technologie Modelle beliebiger Modellierungsmethodiken elegant und einfach miteinander verknüpft werden können.

Aus diesem Grund entwickelte ich mit meinen Studenten eine neue Version von Spice, ModelicaSpice, welche vollständig in Dymola/Modelica realisiert wurde. ModelicaSpice wurde primär für die Transientanalyse elektronischer Analogschaltungen entwickelt. Die Software kann aber auch für die Gleichstrom- und Wechselstromanalyse verwendet werden.

ModelicaSpice erlaubt es, gemischt analoge und digitale Schaltungen sowie mechatronische Systeme zu simulieren. ModelicaSpice erlaubt ebenfalls, Schaltungen zu simulieren, deren Parameterwerte Funktionen der Umgebungstemperatur sind. Im Gegensatz zu anderen Spice Dialekten, die zwar erlauben, die Wärmeerzeugung einer elektronischen Schaltung zu berechnen und Simulationsläufe bei verschiedenen Temperaturwerten durchzuführen, erlaubt ModelicaSpice, die Schaltung auch während der Erwärmungsphase richtig zu simulieren.

Des Weiteren erlaubt ModelicaSpice, beliebige Signale anzusehen, auch solche, die intern in den Halbleiterschaltelementen auftreten. Im Gegensatz dazu erlauben andere Spice Dialekte nur die Betrachtung von Knotenpotentialen und Zweigströmen des obersten Niveaus.

Die Halbleiterschaltelemente wurden in ModelicaSpice hierarchisch aus Ersatzschaltbildern aufgebaut.

Historische Entwicklung

• Ich arbeitete während Jahren als Consultant für Burr Brown, wo ich für den Unterhalt ihrer Spice Version verantwortlich war. Unter anderem fügte ich neue Modelle für spezielle Halbleiterkomonenten, neue Modelle für Spezialeffekte bestehender Halbleitermodelle sowie neue Algorithmen zur Verbesserung der Konvergenzalgorithmen ein.

• Da sich der Unterhalt der Software als eher schwierig und sehr zeitraubend entpuppte, ergab sich die Idee, eine neue Spice Version für Dymola zu entwickeln, deren Unterhalt um ein Vielfaches einfacher sein würde.

• 1987 entwickelte ich erste Dymola Modelle zur Beschreibung bipolarer Transistoren in Dymola. Diese Modelle wurden im Kapitel 6 des Buches Continuous System Modeling vorgestellt. Leider war Dymola zu jener Zeit noch nicht leistungsstark genug, um diese Modelle auch simulieren zu können.

• Im Jahre 1993 entwickelte Daryl Hild eine erste lauffähige Version der bipolaren Transistormodelle in seiner Master Thesis.

• Im Jahre 1997 entwickelte Michael Schweisguth eine verbesserte Version der bipolaren Transistormodelle in seiner Master Thesis unter Verwendung von Bondgraphen.

• Im Jahre 2005 adaptierte ich die bestehenden Modelle an die neuste Version von Dymola/Modelica und erzeugte zusätzliche Modelle für die noch fehlenden Halbleiterelemente: die Diode, den MOSFET sowie den JFET. Die momentan erhältliche Version von ModelicaSpice ist in Bondgraphentechnologie aufgebaut. Sie ist Teil von BondLib. Ich bin momentan dabei, zusätzlich eine separate ModelicaSpice Bibliothek zu erzeugen, die ohne Bondgraphen auskommt. Dies mag nützlich sein, da nicht alle Schaltungselektroniker mit Bondgraphen vertraut sind.

Wichtigste Publikationen

1. Cellier, F.E. (1991), Continuous System Modeling, Springer-Verlag, New York.

2. Hild, D.R., and F.E. Cellier (1994), Object-Oriented Electronic Circuit Modeling Using Dymola, Proc. OOS'94, SCS Object Oriented Simulation Conference, Tempe, AZ, pp.68-75.

3. Schweisguth, M.C., and F.E. Cellier (1999), A Bond Graph Model of the Bipolar Junction Transistor, Proc. ICBGM'99, 4^th SCS Intl. Conf. on Bond Graph Modeling and Simulation, San Francisco, CA, pp.344-349.

Sponsoren

• Burr Brown, Inc.

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