一文了解仿真驅(qū)動(dòng)型電子設(shè)計(jì)

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(dòng)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(dòng)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(gè)層面上進(jìn)行仿真驅(qū)動(dòng)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(gè)層面審查系統(tǒng)，同時(shí)只關(guān)注某些性能方面。采用針對(duì)特定領(lǐng)域的方法，可以關(guān)注原型驗(yàn)證和測(cè)試過程中無(wú)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(dòng)型設(shè)計(jì)流程

仿真驅(qū)動(dòng)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(gè)環(huán)節(jié)。仿真驅(qū)動(dòng)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?？捎^，能夠提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，節(jié)約成本。

1

仿真的對(duì)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(dòng)涵蓋從芯片到整個(gè)組件和系統(tǒng)在內(nèi)的各個(gè)方面。下文列出的仿真活動(dòng)涉及產(chǎn)品的各個(gè)層面——從單個(gè)芯片/封裝到整個(gè)組裝。

在進(jìn)行仿真驅(qū)動(dòng)型設(shè)計(jì)時(shí)，需要使用數(shù)值求解器對(duì)上述各個(gè)方面進(jìn)行檢查。通常在設(shè)計(jì)階段的不同時(shí)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。

2

仿真-分析-設(shè)計(jì)-重復(fù)

仿真驅(qū)動(dòng)型設(shè)計(jì)是一個(gè)迭代過程，因?yàn)橥ǔＧ闆r下，評(píng)估或研究設(shè)計(jì)是實(shí)驗(yàn)的一部分。有時(shí)我們無(wú)法了解特定電路或組件在實(shí)際使用時(shí)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(dòng)型設(shè)計(jì)中的優(yōu)化概念是整個(gè)流程的核心。

仿真驅(qū)動(dòng)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(píng)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(shí)，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)。

仿真驅(qū)動(dòng)型設(shè)計(jì)流程依托一個(gè)簡(jiǎn)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(gè)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(gè)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)。

3

邏輯和原理圖

對(duì)于電子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，原理圖是仿真驅(qū)動(dòng)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(duì)邏輯執(zhí)行仿真驅(qū)動(dòng)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(hào)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(hào)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(lái)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(gè)器件都對(duì)應(yīng)一個(gè)電氣模型，用于描述信號(hào)傳播。實(shí)際上，這些模型將輸入映射到輸出。

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

前端仿真中的電氣模型必須通過器件級(jí)仿真或直接測(cè)量來(lái)確定。對(duì)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(cè)試設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。

4

PCB 仿真

可以采用多種方法對(duì) PCB 進(jìn)行仿真以評(píng)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(gè)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(píng)估。在 PCB 上，需要從三個(gè)主要方面入手，以評(píng)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(chǎng)求解器對(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行仿真。利用場(chǎng)求解器，可以在附近存在一組復(fù)雜器件的情況下對(duì)設(shè)計(jì)中的信號(hào)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(duì)象，PCB layout 中的信號(hào)行為將偏離原理圖中仿真的理想行為。

在仿真驅(qū)動(dòng)型設(shè)計(jì)中，可以將 PCB 劃分為幾個(gè)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(duì)性，可以對(duì)特定的設(shè)計(jì)選擇進(jìn)行評(píng)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)。

5

芯片和封裝

除 PCB 外，系統(tǒng)分析中還經(jīng)常需要對(duì)一些單個(gè)器件進(jìn)行仿真。同樣，也要對(duì)半導(dǎo)體及其封裝進(jìn)行電熱評(píng)估。通常在簽核前的設(shè)計(jì)階段對(duì)半導(dǎo)體器件進(jìn)行仿真和分析。對(duì)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(hào)完整性、熱行為和機(jī)械行為仿真。

器件及其封裝的熱仿真結(jié)果示例。

那么，對(duì)于 PCB 中的芯片/封裝，該如何進(jìn)行熱仿真？PCB 是一個(gè)電氣系統(tǒng)，而所有電氣系統(tǒng)都會(huì)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(shí)程。

6

組裝層面的仿真

在設(shè)計(jì)階段結(jié)束時(shí)進(jìn)行組裝級(jí)仿真，此時(shí)整個(gè)組裝設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，可以進(jìn)行全面評(píng)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。

在仿真驅(qū)動(dòng)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(huì)對(duì)整個(gè)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(gè) PCB 相比，采用另外一些策略可能更為合適，如組裝級(jí)或外殼級(jí)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(shí)間。例如，當(dāng)發(fā)現(xiàn)冷卻措施不充分時(shí)，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(duì) 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。

可以通過 CFD 仿真來(lái)追蹤整個(gè)機(jī)箱內(nèi)的氣流，并預(yù)測(cè)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(chǎng)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(dòng)型設(shè)計(jì)流程。

利用 Cadence 的全套系統(tǒng)分析工具，先進(jìn)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以更快地將質(zhì)量更出色的產(chǎn)品推向市場(chǎng)。那么，究竟什么是系統(tǒng)設(shè)計(jì)？Cadence 為何倡導(dǎo)創(chuàng)新系統(tǒng)設(shè)計(jì)？創(chuàng)新系統(tǒng)設(shè)計(jì)在消費(fèi)電子、5G、云端、汽車等領(lǐng)域又有怎樣的應(yīng)用？