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一文了解仿真驅(qū)動型電子設(shè)計(jì)

發(fā)布時間:2024-03-19 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】先進(jìn)電子產(chǎn)品的仿真驅(qū)動型設(shè)計(jì)涉及哪些流程?電子產(chǎn)品的復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電路,這意味著必須在多個層面上進(jìn)行仿真驅(qū)動的設(shè)計(jì),才能更好地了解產(chǎn)品的運(yùn)行是否可靠。通過仿真,設(shè)計(jì)人員能夠從多個層面審查系統(tǒng),同時只關(guān)注某些性能方面。采用針對特定領(lǐng)域的方法,可以關(guān)注原型驗(yàn)證和測試過程中無法觸及的特定性能特征和設(shè)計(jì)因素。


一些廣為人知的技術(shù)和大受歡迎的產(chǎn)品是如何誕生的?當(dāng)然,在此過程中要克服硬件和軟件方面的工程挑戰(zhàn),而仿真是設(shè)計(jì)成型之前和之后的重要工具,用于確保設(shè)計(jì)質(zhì)量符合要求。仿真驅(qū)動型設(shè)計(jì)流程的目的是在設(shè)計(jì)前端利用仿真功能,確保新設(shè)計(jì)能夠正常運(yùn)行。

先進(jìn)電子產(chǎn)品的仿真驅(qū)動型設(shè)計(jì)涉及哪些流程?電子產(chǎn)品的復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電路,這意味著必須在多個層面上進(jìn)行仿真驅(qū)動的設(shè)計(jì),才能更好地了解產(chǎn)品的運(yùn)行是否可靠。通過仿真,設(shè)計(jì)人員能夠從多個層面審查系統(tǒng),同時只關(guān)注某些性能方面。采用針對特定領(lǐng)域的方法,可以關(guān)注原型驗(yàn)證和測試過程中無法觸及的特定性能特征和設(shè)計(jì)因素。

企業(yè)的仿真驅(qū)動型設(shè)計(jì)流程

仿真驅(qū)動型設(shè)計(jì)和工程實(shí)際上非常普遍,是開發(fā)許多復(fù)雜系統(tǒng)不可或缺的一個環(huán)節(jié)。仿真驅(qū)動型設(shè)計(jì)有許多目標(biāo),但最重要的目標(biāo)之一是在批量生產(chǎn)前,驗(yàn)證新設(shè)計(jì)及其預(yù)期原型的質(zhì)量是否符合要求。如果省去制造原型這一步,就可以節(jié)約成本,加快產(chǎn)品上市。部署仿真和分析軟件需要預(yù)先投入資金,但這種投資的回報(bào)非常可觀,能夠提升企業(yè)的競爭力,節(jié)約成本。

仿真的對象

下面我們看一看電子產(chǎn)品仿真和分析的具體應(yīng)用領(lǐng)域有哪些。如今,許多公司都在系統(tǒng)層面開展業(yè)務(wù),其開發(fā)活動涵蓋從芯片到整個組件和系統(tǒng)在內(nèi)的各個方面。下文列出的仿真活動涉及產(chǎn)品的各個層面——從單個芯片/封裝到整個組裝。


一文了解仿真驅(qū)動型電子設(shè)計(jì)


在進(jìn)行仿真驅(qū)動型設(shè)計(jì)時,需要使用數(shù)值求解器對上述各個方面進(jìn)行檢查。通常在設(shè)計(jì)階段的不同時間點(diǎn)分別處理上述問題,但也可以通過“仿真-分析-設(shè)計(jì)-重復(fù)”這一迭代流程進(jìn)行處理,具體步驟如下。

仿真-分析-設(shè)計(jì)-重復(fù)

仿真驅(qū)動型設(shè)計(jì)是一個迭代過程,因?yàn)橥ǔG闆r下,評估或研究設(shè)計(jì)是實(shí)驗(yàn)的一部分。有時我們無法了解特定電路或組件在實(shí)際使用時的運(yùn)行狀況,因此仿真就成了迭代優(yōu)化部分設(shè)計(jì)并達(dá)到性能目標(biāo)的唯一方法。仿真驅(qū)動型設(shè)計(jì)中的優(yōu)化概念是整個流程的核心。

仿真驅(qū)動型設(shè)計(jì)流程概述如下。首先需要在數(shù)值求解器中進(jìn)行鑒定和評估設(shè)計(jì)成品。通常情況下,在仿真中需要檢查和鑒定一些性能目標(biāo),依據(jù)是一些更廣泛的最終產(chǎn)品性能指標(biāo)。此時,通??梢詤⒖荚谠O(shè)計(jì)階段初期收集的工程需求,以描述性能目標(biāo)并作為比較的基礎(chǔ)。


一文了解仿真驅(qū)動型電子設(shè)計(jì)


仿真驅(qū)動型設(shè)計(jì)流程依托一個簡單的迭代概念,我們將在下文進(jìn)行探討。也許 RF 工程師和高速設(shè)計(jì)數(shù)字工程師最熟悉這一流程,但這一理念同樣適用于系統(tǒng)層面的設(shè)計(jì)。該流程適用于上表中的每個方面,可以幫助我們更好地了解系統(tǒng)行為和可靠性。最終,通過這個迭代過程,系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以找到兼顧性能、成本、可靠性和可制造性的最佳設(shè)計(jì)。

邏輯和原理圖

對于電子系統(tǒng)來說,原理圖是仿真驅(qū)動型設(shè)計(jì)的起點(diǎn)。原理圖是創(chuàng)建電路的藍(lán)圖,隨后將原理圖應(yīng)用于 PCB 或組裝中,進(jìn)行元件擺放和設(shè)計(jì)物理 layout。原理圖顯示了最終組裝中的電氣連接,非常適合專門針對邏輯執(zhí)行仿真驅(qū)動型設(shè)計(jì)流程。

在系統(tǒng)層面,原理圖中使用的主要仿真類型包括:

? 電路(通常為模擬電路)的 SPICE 仿真
? 復(fù)雜數(shù)字電路的邏輯仿真
? 使用 IBIS 模型進(jìn)行信號完整性仿真
? 使用網(wǎng)絡(luò)參數(shù)(通常為 S 參數(shù))進(jìn)行信號完整性仿真

使用 SPICE 或 IBIS 建模進(jìn)行的原理圖仿真屬于電氣仿真,因此需要使用電氣模型來更好地了解某些器件在規(guī)模更大的系統(tǒng)中的運(yùn)行情況。這是前端設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)中的重要一環(huán),將為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供所需的 S 參數(shù)模型,用于仿真系統(tǒng)中使用的重要器件的行為。

以下面的仿真項(xiàng)目為例。要想在系統(tǒng)層面運(yùn)行,意味著每個器件都對應(yīng)一個電氣模型,用于描述信號傳播。實(shí)際上,這些模型將輸入映射到輸出。


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在 Cadence AWR 平臺中沿互連進(jìn)行的系統(tǒng)級相位噪聲仿真。

前端仿真中的電氣模型必須通過器件級仿真或直接測量來確定。對于許多 RF 器件(放大器、濾波器等),其電氣模型由元件供應(yīng)商提供,也可以使用某些測試設(shè)備進(jìn)行測量。

PCB 仿真

可以采用多種方法對 PCB 進(jìn)行仿真以評估其性能和/或可靠性。在不同的環(huán)境中需要部署不同的器件,PCB 上每個子系統(tǒng)的性能或可靠性需求也許不需要單獨(dú)進(jìn)行深層次的評估。在 PCB 上,需要從三個主要方面入手,以評估仿真的電氣性能:

? 設(shè)計(jì)中的特定子系統(tǒng)是否能滿足運(yùn)行需求
? Layout 中的電氣性能是否偏離邏輯仿真結(jié)果,偏離程度如何
? 確定 Layout 的哪些部分需要進(jìn)行更詳細(xì)的仿真以了解其行為

由于 PCB layout 非常復(fù)雜,需要使用數(shù)值場求解器對這些系統(tǒng)進(jìn)行仿真。利用場求解器,可以在附近存在一組復(fù)雜器件的情況下對設(shè)計(jì)中的信號行為進(jìn)行建模。由于存在器件、其他導(dǎo)體、特定材料和組裝中的其他物理對象,PCB layout 中的信號行為將偏離原理圖中仿真的理想行為。

在仿真驅(qū)動型設(shè)計(jì)中,可以將 PCB 劃分為幾個特定的部分,分別進(jìn)行仿真,這種做法非常有用,并且更有針對性,可以對特定的設(shè)計(jì)選擇進(jìn)行評估和鑒定。通常,需要進(jìn)行仿真的特定子系統(tǒng)包括電源分配網(wǎng)絡(luò) (PDN)、高速通道和連接器接口、天線等 RF 器件以及用于驗(yàn)證損耗/阻抗的傳輸線設(shè)計(jì)。

芯片和封裝

除 PCB 外,系統(tǒng)分析中還經(jīng)常需要對一些單個器件進(jìn)行仿真。同樣,也要對半導(dǎo)體及其封裝進(jìn)行電熱評估。通常在簽核前的設(shè)計(jì)階段對半導(dǎo)體器件進(jìn)行仿真和分析。對于(SoC/模塊的)封裝和相關(guān)器件在 PCB 中的擺放位置,也需要進(jìn)行信號完整性、熱行為和機(jī)械行為仿真。


一文了解仿真驅(qū)動型電子設(shè)計(jì)


器件及其封裝的熱仿真結(jié)果示例。

那么,對于 PCB 中的芯片/封裝,該如何進(jìn)行熱仿真?PCB 是一個電氣系統(tǒng),而所有電氣系統(tǒng)都會產(chǎn)生一些熱量,因此不能孤立地分析 PCB 的熱特性。相反,在設(shè)計(jì)中必須考慮熱特性和電氣特性之間的相互作用。

大多數(shù)熱分析常局限在機(jī)械或系統(tǒng)層面進(jìn)行,難以準(zhǔn)確仿真電子影響或發(fā)現(xiàn)潛在問題,導(dǎo)致團(tuán)隊(duì)苦于晚期設(shè)計(jì)修改與迭代,影響項(xiàng)目時程。

組裝層面的仿真

在設(shè)計(jì)階段結(jié)束時進(jìn)行組裝級仿真,此時整個組裝設(shè)計(jì)已經(jīng)完成,可以進(jìn)行全面評估。此類仿真通常圍繞可靠性和熱行為進(jìn)行,也可能涉及 EMI/RF 規(guī)范。具體項(xiàng)目總結(jié)于下表中。


一文了解仿真驅(qū)動型電子設(shè)計(jì)


在仿真驅(qū)動型設(shè)計(jì)流程的設(shè)計(jì)階段,除非出現(xiàn)災(zāi)難性故障,否則通常不會對整個系統(tǒng)進(jìn)行大范圍的重新設(shè)計(jì)。例如,熱沖擊或機(jī)械沖擊可能導(dǎo)致特定器件失效(如焊球斷裂),這也是導(dǎo)致設(shè)計(jì)變更的原因之一。在這種情況下,可以將失效器件換成其他封裝。

與重新設(shè)計(jì)整個 PCB 相比,采用另外一些策略可能更為合適,如組裝級或外殼級設(shè)計(jì)變更。這樣做可以降低成本,或者可以縮短糾正可靠性問題所需的重新設(shè)計(jì)時間。例如,當(dāng)發(fā)現(xiàn)冷卻措施不充分時,可以更改機(jī)箱設(shè)計(jì),使機(jī)箱內(nèi)有更多的氣流或增加熱傳遞。在這種情況下,對 PCB 或器件本身進(jìn)行基于可靠性的設(shè)計(jì)變更成本太高。


一文了解仿真驅(qū)動型電子設(shè)計(jì)


可以通過 CFD 仿真來追蹤整個機(jī)箱內(nèi)的氣流,并預(yù)測組裝內(nèi)的平衡溫度。

由于這些仿真可能非常復(fù)雜,需要借助一套得心應(yīng)手的仿真工具。這些系統(tǒng)通常作為多物理場問題進(jìn)行仿真,以便了解不同領(lǐng)域的物理行為之間的耦合。雖然這些工具可能很復(fù)雜,但 EDA 供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)可以幫助用戶在設(shè)計(jì)工具和仿真器之間快速切換,從而實(shí)現(xiàn)理想的仿真驅(qū)動型設(shè)計(jì)流程。


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