| 作者 : Kyoji Marumoto 和 Hiroshi Nishide，ROHM Co. Ltd.

為應(yīng)對日益加劇的競爭壓力，集成電路 (IC) 制造商正不斷縮短產(chǎn)品交付周期，而與此同時，設(shè)計日益復(fù)雜，再加之客戶對質(zhì)量和性能的期望值也在增加。傳統(tǒng)的設(shè)計方法是團隊基于文檔對規(guī)范進行驗證，并在最終量產(chǎn)版本推出之前制作多個原型。許多制造商發(fā)現(xiàn)，這種方法已經(jīng)難以跟上當(dāng)前行業(yè)的步伐。

ROHM 將基于模型的設(shè)計融入到電機控制應(yīng)用、傳感器應(yīng)用和電源系統(tǒng)的 IC 開發(fā)流程中。通過在 Simulink 中對混合信號 IC 設(shè)計、被控對象和微機電系統(tǒng) (MEMS) 進行建模和仿真，產(chǎn)品團隊能夠在進行電路級設(shè)計之前從高層面驗證設(shè)計規(guī)范。這種方法減少了返工、開發(fā)時間和原型數(shù)量，同時提高了整體設(shè)計質(zhì)量。例如，通過從我們在 Simulink 中創(chuàng)建和驗證的模型中自動生成 Verilog 代碼，我們可以將驗證時間從一個月縮短到短短幾天。這不僅提高了開發(fā)效率，而且通過將實現(xiàn) bug 的數(shù)量減少到零來提高質(zhì)量。通過基于模型的設(shè)計，我們可以對已經(jīng)驗證了模型級規(guī)范并確認(rèn)電路級功能和特性符合設(shè)計規(guī)范的產(chǎn)品進行一次而非三四次原型構(gòu)建，然后直接從原型進入批量生產(chǎn)。

本文將介紹電機和傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用。

基于模型的設(shè)計在電機控制 IC 領(lǐng)域的應(yīng)用

在開發(fā)用于電機控制應(yīng)用的 IC 時，我們的團隊首先從對需要控制的電機進行建模開始設(shè)計過程。我們使用運動方程和電壓方程在 Simulink 中對電機的機械和電氣特性進行建模，然后使用 MATLAB 根據(jù)實際電機的測量值來擬合該模型的參數(shù)。根據(jù)我們團隊設(shè)計的電機模型，我們還可以將感應(yīng)傳感控制引起的磁飽和效應(yīng)和軸錯位導(dǎo)致的抖晃效應(yīng)考慮在內(nèi)。作為被控對象模型的一部分，我們包含了使用 Simscape 創(chuàng)建的電機驅(qū)動晶體管模型。該驅(qū)動器模型使我們能夠分析瞬態(tài)特性;例如，由電機繞組中的寄生電容引起的脈沖寬度調(diào)制開始時的電流振蕩。

我們也在 Simulink 中對電機控制器進行建模，然后對控制器和被控對象同時運行系統(tǒng)級仿真，以檢查設(shè)計控制功能的速度、位置和上升等性能。以這種方式驗證控制器設(shè)計之后，我們使用 Fixed-Point Designer 將控制算法轉(zhuǎn)換為定點。然后，我們使用 HDL Coder 從模型生成可合成的 Verilog RTL，從而加速實現(xiàn)并消除引入以前手工編碼時遇到的編碼錯誤的風(fēng)險。

使用 DPI-C 模型生成開發(fā) MEMS 設(shè)備

對于涉及 MEMS 傳感器和相關(guān)傳感器 IC 的項目，我們使用的開發(fā)流程與電機控制 IC 的開發(fā)流程非常相似。但是，我們不是進行測試來表征電機，而是使用三維電磁分析和結(jié)構(gòu)分析工具來表征 MEMS 設(shè)備，然后將通過此過程識別的參數(shù)擬合到設(shè)備的 Simulink 模型?；蛘?，我們在 MATLAB 中執(zhí)行傳遞函數(shù)識別和多元回歸逼近，然后使用傳遞函數(shù)作為設(shè)備的模型。

我們創(chuàng)建了傳感器 IC 的 Simulink 模型，該模型與電機控制器模型非常相似，可作為設(shè)計的可執(zhí)行規(guī)范。通過 Simulink 中的系統(tǒng)級仿真，我們可以在 Cadence Virtuoso 平臺上優(yōu)化設(shè)計之前提前驗證這一規(guī)范。

在我們的 MEMS 設(shè)計工作流中，我們可以執(zhí)行不屬于電機工作流的額外驗證步驟。具體來說，我們使用 HDL Verifier 和 Embedded Coder 從我們的 Simulink MEMS 設(shè)備模型生成 SystemVerilog DPI-C 模型(圖 1)。然后，我們在 Cadence 環(huán)境中使用此 SystemVerilog 模型來全面驗證我們的 IC 設(shè)計(包括放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字處理邏輯)，并在簽署驗證之前繼續(xù)對其進行詳細(xì)說明。這種方法不僅提高了開發(fā)效率，而且有助于保證設(shè)計質(zhì)量，因為我們對設(shè)計進行了一致性驗證，即首先在 Simulink 中驗證，然后在 Cadence Virtuoso 中驗證。

圖 1. DPI-C 模型生成的工作流程圖。

FPGA 在環(huán)客戶評估

我們的許多客戶發(fā)現(xiàn)，能夠評估正在開發(fā)的 ROHM 產(chǎn)品對他們自己的開發(fā)過程來說是一個顯著的優(yōu)勢。對于這些客戶，我們使用 HDL Coder 從我們的 Simulink IC 模型生成 HDL 代碼并將其部署到 FPGA 評估板?？蛻綦S后可以使用該評估板來評估他們的硬件設(shè)計?？蛻粢部梢允褂?HDL Verifier 通過他們自己的系統(tǒng)級 Simulink 模型執(zhí)行 FPGA 在環(huán)仿真，以執(zhí)行瞬態(tài)分析和設(shè)計優(yōu)化。通過這兩種方法，我們的敏感 IP 受到了保護，因為我們只共享 FPGA 實現(xiàn)，而不是我們的源設(shè)計資產(chǎn)。

ROHM 建立基于模型的設(shè)計小組

為了幫助 ROHM 的產(chǎn)品團隊采用基于模型的設(shè)計，我們成立了基于模型的設(shè)計小組，這是一支由擁有豐富設(shè)計經(jīng)驗的工程師組成的團隊。該小組開發(fā)的資產(chǎn)使團隊能夠輕松地在 Simulink 中應(yīng)用建模、仿真和代碼生成，作為自上而下的 IC 設(shè)計工作流的一部分。資產(chǎn)包括模型模板、文檔和工具(例如，參數(shù)提取工具)，以及電機模型、MEMS 模型和 SystemVerilog DPI-C 生成的技術(shù)指南。

該小組還分享了建模技術(shù)并舉行了內(nèi)部簡報和培訓(xùn)會議，以幫助團隊快速上手。雖然該小組最初的目標(biāo)是日本當(dāng)?shù)氐?ROHM 團隊，但現(xiàn)在，它正在幫助 ROHM 的海外設(shè)計中心組建專門從事基于模型的設(shè)計項目的團隊。

許多 ROHM 團隊已積極采用基于模型的設(shè)計，但也有一些團隊不太情愿，因為他們還沒有為自己的領(lǐng)域建立基于模型的設(shè)計環(huán)境。對于這些團隊，基于模型的設(shè)計小組需要時間來展示該方法的好處，以及已經(jīng)使用該方法的團隊所實現(xiàn)的優(yōu)勢。最近，我們成立了使用 Simulink 進行傳感器 IC 和電機 IC 開發(fā)的工作小組。ROHM 的工程師加入這些小組來分享技術(shù)信息并了解與許多團隊相關(guān)的主題，包括如何在 Simscape 中對 MOSFET 驅(qū)動器建模、如何創(chuàng)建高度精確的 MEMS 模型以及如何識別現(xiàn)有電路的頻率響應(yīng)。

在 ROHM 推廣使用基于模型的設(shè)計

在我們部門，使用基于模型的設(shè)計的團隊數(shù)量正在穩(wěn)步增加。此外，我們開始看到基于模型的設(shè)計應(yīng)用于整個公司的各個業(yè)務(wù)部門，包括負(fù)責(zé)開發(fā)和制造碳化硅 (SiC) 和絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 產(chǎn)品的部門。最近，我們還看到汽車客戶對基于模型的設(shè)計的需求也在不斷增加。ROHM 現(xiàn)已做好充分準(zhǔn)備來滿足這一需求。

*本文使用了機器翻譯

關(guān)于作者

Kyoji Marumoto 和 Hiroshi Nishide 領(lǐng)導(dǎo) ROHM Co. Ltd. 的基于模型的設(shè)計小組。他們致力于在整個 ROHM 組織內(nèi)推廣基于模型的設(shè)計，為改進 HDL 代碼生成以及電機、傳感器和電源 IC 設(shè)計的優(yōu)化做出了貢獻。