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

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

ROHM 將基于模型的設計融入到電機控制應用、傳感器應用和電源系統(tǒng)的 IC 開發(fā)流程中。通過在 Simulink 中對混合信號 IC 設計、被控對象和微機電系統(tǒng) (MEMS) 進行建模和仿真，產品團隊能夠在進行電路級設計之前從高層面驗證設計規(guī)范。這種方法減少了返工、開發(fā)時間和原型數量，同時提高了整體設計質量。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 的數量減少到零來提高質量。通過基于模型的設計，我們可以對已經驗證了模型級規(guī)范并確認電路級功能和特性符合設計規(guī)范的產品進行一次而非三四次原型構建，然后直接從原型進入批量生產。

本文將介紹電機和傳感器領域的應用。

基于模型的設計在電機控制 IC 領域的應用

在開發(fā)用于電機控制應用的 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 根據實際電機的測量值來擬合該模型的參數。根據我們團隊設計的電機模型，我們還可以將感應傳感控制引起的磁飽和效應和軸錯位導致的抖晃效應考慮在內。作為被控對象模型的一部分，我們包含了使用 Simscape 創(chuàng)建的電機驅動晶體管模型。該驅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計之后，我們使用 Fixed-Point Designer 將控制算法轉換為定點。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險。

使用 DPI-C 模型生成開發(fā) MEMS 設備

對于涉及 MEMS 傳感器和相關傳感器 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構分析工具來表征 MEMS 設備，然后將通過此過程識別的參數擬合到設備的 Simulink 模型?；蛘撸覀冊?MATLAB 中執(zhí)行傳遞函數識別和多元回歸逼近，然后使用傳遞函數作為設備的模型。

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)化設計之前提前驗證這一規(guī)范。

在我們的 MEMS 設計工作流中，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 設計(包括放大器、模數轉換器和數字處理邏輯)，并在簽署驗證之前繼續(xù)對其進行詳細說明。這種方法不僅提高了開發(fā)效率，而且有助于保證設計質量，因為我們對設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。客戶隨后可以使用該評估板來評估他們的硬件設計?？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)，而不是我們的源設計資產。

ROHM 建立基于模型的設計小組

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

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

許多 ROHM 團隊已積極采用基于模型的設計，但也有一些團隊不太情愿，因為他們還沒有為自己的領域建立基于模型的設計環(huán)境。對于這些團隊，基于模型的設計小組需要時間來展示該方法的好處，以及已經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信息并了解與許多團隊相關的主題，包括如何在 Simscape 中對 MOSFET 驅動器建模、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。

在 ROHM 推廣使用基于模型的設計

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

*本文使用了機器翻譯

關于作者

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