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

為應(yīng)對(duì)日益加劇的競(jìng)爭(zhēng)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(shí)，設(shè)計(jì)日益復(fù)雜，再加之客戶對(duì)質(zhì)量和性能的期望值也在增加。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是團(tuán)隊(duì)基于文檔對(duì)規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)證，并在最終量產(chǎn)版本推出之前制作多個(gè)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(jì)融入到電機(jī)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(duì)混合信號(hào) IC 設(shè)計(jì)、被控對(duì)象和微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 進(jìn)行建模和仿真，產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)能夠在進(jìn)行電路級(jí)設(shè)計(jì)之前從高層面驗(yàn)證設(shè)計(jì)規(guī)范。這種方法減少了返工、開發(fā)時(shí)間和原型數(shù)量，同時(shí)提高了整體設(shè)計(jì)質(zhì)量。例如，通過從我們?cè)?Simulink 中創(chuàng)建和驗(yàn)證的模型中自動(dòng)生成 Verilog 代碼，我們可以將驗(yàn)證時(shí)間從一個(gè)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(shí)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(jì)，我們可以對(duì)已經(jīng)驗(yàn)證了模型級(jí)規(guī)范并確認(rèn)電路級(jí)功能和特性符合設(shè)計(jì)規(guī)范的產(chǎn)品進(jìn)行一次而非三四次原型構(gòu)建，然后直接從原型進(jìn)入批量生產(chǎn)。

本文將介紹電機(jī)和傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用。

基于模型的設(shè)計(jì)在電機(jī)控制 IC 領(lǐng)域的應(yīng)用

在開發(fā)用于電機(jī)控制應(yīng)用的 IC 時(shí)，我們的團(tuán)隊(duì)首先從對(duì)需要控制的電機(jī)進(jìn)行建模開始設(shè)計(jì)過程。我們使用運(yùn)動(dòng)方程和電壓方程在 Simulink 中對(duì)電機(jī)的機(jī)械和電氣特性進(jìn)行建模，然后使用 MATLAB 根據(jù)實(shí)際電機(jī)的測(cè)量值來擬合該模型的參數(shù)。根據(jù)我們團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的電機(jī)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(cuò)位導(dǎo)致的抖晃效應(yīng)考慮在內(nèi)。作為被控對(duì)象模型的一部分，我們包含了使用 Simscape 創(chuàng)建的電機(jī)驅(qū)動(dòng)晶體管模型。該驅(qū)動(dòng)器模型使我們能夠分析瞬態(tài)特性;例如，由電機(jī)繞組中的寄生電容引起的脈沖寬度調(diào)制開始時(shí)的電流振蕩。

我們也在 Simulink 中對(duì)電機(jī)控制器進(jìn)行建模，然后對(duì)控制器和被控對(duì)象同時(shí)運(yùn)行系統(tǒng)級(jí)仿真，以檢查設(shè)計(jì)控制功能的速度、位置和上升等性能。以這種方式驗(yàn)證控制器設(shè)計(jì)之后，我們使用 Fixed-Point Designer 將控制算法轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)。然后，我們使用 HDL Coder 從模型生成可合成的 Verilog RTL，從而加速實(shí)現(xiàn)并消除引入以前手工編碼時(shí)遇到的編碼錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。

使用 DPI-C 模型生成開發(fā) MEMS 設(shè)備

對(duì)于涉及 MEMS 傳感器和相關(guān)傳感器 IC 的項(xiàng)目，我們使用的開發(fā)流程與電機(jī)控制 IC 的開發(fā)流程非常相似。但是，我們不是進(jìn)行測(cè)試來表征電機(jī)，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(shí)別的參數(shù)擬合到設(shè)備的 Simulink 模型?；蛘?，我們?cè)?MATLAB 中執(zhí)行傳遞函數(shù)識(shí)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(jī)控制器模型非常相似，可作為設(shè)計(jì)的可執(zhí)行規(guī)范。通過 Simulink 中的系統(tǒng)級(jí)仿真，我們可以在 Cadence Virtuoso 平臺(tái)上優(yōu)化設(shè)計(jì)之前提前驗(yàn)證這一規(guī)范。

在我們的 MEMS 設(shè)計(jì)工作流中，我們可以執(zhí)行不屬于電機(jī)工作流的額外驗(yàn)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?cè)?Cadence 環(huán)境中使用此 SystemVerilog 模型來全面驗(yàn)證我們的 IC 設(shè)計(jì)(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(yàn)證之前繼續(xù)對(duì)其進(jìn)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(jì)質(zhì)量，因?yàn)槲覀儗?duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了一致性驗(yàn)證，即首先在 Simulink 中驗(yàn)證，然后在 Cadence Virtuoso 中驗(yàn)證。

圖 1. DPI-C 模型生成的工作流程圖。

FPGA 在環(huán)客戶評(píng)估

我們的許多客戶發(fā)現(xiàn)，能夠評(píng)估正在開發(fā)的 ROHM 產(chǎn)品對(duì)他們自己的開發(fā)過程來說是一個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)。對(duì)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(píng)估板?？蛻綦S后可以使用該評(píng)估板來評(píng)估他們的硬件設(shè)計(jì)?？蛻粢部梢允褂?HDL Verifier 通過他們自己的系統(tǒng)級(jí) 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(jì)優(yōu)化。通過這兩種方法，我們的敏感 IP 受到了保護(hù)，因?yàn)槲覀冎还蚕?FPGA 實(shí)現(xiàn)，而不是我們的源設(shè)計(jì)資產(chǎn)。

ROHM 建立基于模型的設(shè)計(jì)小組

為了幫助 ROHM 的產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)采用基于模型的設(shè)計(jì)，我們成立了基于模型的設(shè)計(jì)小組，這是一支由擁有豐富設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的工程師組成的團(tuán)隊(duì)。該小組開發(fā)的資產(chǎn)使團(tuán)隊(duì)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(jì)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(jī)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(jiǎn)報(bào)和培訓(xùn)會(huì)議，以幫助團(tuán)隊(duì)快速上手。雖然該小組最初的目標(biāo)是日本當(dāng)?shù)氐?ROHM 團(tuán)隊(duì)，但現(xiàn)在，它正在幫助 ROHM 的海外設(shè)計(jì)中心組建專門從事基于模型的設(shè)計(jì)項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)。

許多 ROHM 團(tuán)隊(duì)已積極采用基于模型的設(shè)計(jì)，但也有一些團(tuán)隊(duì)不太情愿，因?yàn)樗麄冞€沒有為自己的領(lǐng)域建立基于模型的設(shè)計(jì)環(huán)境。對(duì)于這些團(tuán)隊(duì)，基于模型的設(shè)計(jì)小組需要時(shí)間來展示該方法的好處，以及已經(jīng)使用該方法的團(tuán)隊(duì)所實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)。最近，我們成立了使用 Simulink 進(jìn)行傳感器 IC 和電機(jī) 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(tuán)隊(duì)相關(guān)的主題，包括如何在 Simscape 中對(duì) MOSFET 驅(qū)動(dòng)器建模、如何創(chuàng)建高度精確的 MEMS 模型以及如何識(shí)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(jì)

在我們部門，使用基于模型的設(shè)計(jì)的團(tuán)隊(duì)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(jì)應(yīng)用于整個(gè)公司的各個(gè)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(duì)基于模型的設(shè)計(jì)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(jī)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(jì)小組。他們致力于在整個(gè) ROHM 組織內(nèi)推廣基于模型的設(shè)計(jì)，為改進(jìn) HDL 代碼生成以及電機(jī)、傳感器和電源 IC 設(shè)計(jì)的優(yōu)化做出了貢獻(xiàn)。