元器件建模与仿真挑战

 

 

 

前言

随着电子系统高速、高带宽、大功耗、低压大电流的发展，电子系统设计面临更大挑战。从元器件到电路模块、系统都需要进行建模仿真，优化元器件电性能和可靠性，从而提升电子系统稳定性。电容、电感等无源器件作为电路设计最基本、最常用的组成部分，系统设计工程师需要对电容、电感等无源器件进行建模仿真，优化元器件电性能和可靠性设计，并提取元器件的s参数进行系统级的仿真优化。

 

元器件建模与仿真挑战

无源器件电阻、电容、电感、变压器等广泛应用于电子系统设备，器件性能和可靠性决定了电子系统可靠性。

 

随着系统、器件的应用带宽、速率越来越高，对元器件电性能要求越来越严格。通过仿真手段优化元器件设计，提升性能尤为重要。

电容、电感等无源器件仿真主要需求如下所示：

图 2 

无源器件建模仿真需求1

图3 

无源器件建模仿真需求2

与此同时，电容电感等元器件也面临着仿真挑战：

仪器测试的s参数频率范围不足，低频和高频需要进行拼接。由于测试夹具影响，会导致s参数有毛刺和测试数据不对称，需要软件高精度算法仿真优化。

实现元器件SPICE模型、各种参数等多样化需求的快速求解技术。

实现元器件参数化建模仿真技术，以及磁性器件低频电磁场和S参数仿真技术。

 

元器件建模与仿真解决方案

针对元器件建模仿真方案主要包含几大部分：参数处理分析、3D建模电磁场仿真、电路仿真、库管理和集成。

图4 

芯和元器件建模解决方案

一、元器件s参数处理和分析解决方案

芯和SnpExpert软件实现元器件s参数处理分析，包括以下功能:

1. 数据拼接仿真功能：

图 5 

数据拼接仿真

2. 毛刺滤波平滑功能：

图6 

数据平滑滤波

3. Q/C/L参数转换功能：

图7 

参数转换

4. S参数转SPICE模型：

图8 

SPICE模型生成

二、器件3D建模仿真

1.Hermes 3D模型创建和导入

打开Hermes，选择下图的3D，再选择SAT，在对话框中选择对应的SAT文件导入。

图9 

Hermes 3D模型创建和导入

2.材料参数设置

选择对应物体后，右键选择材料即可进入材料编辑窗口。

图10 

材料参数设置

配置完成后，左侧模型树会显示对应模型的材料属性归类。此case需要对模型的金属及介质层进行材料的设置指定。

3.Port添加

选择刚刚新建完的矩形，右键添加lump port，并随机选择其中一个焊盘为参考。

图11 

Port添加

4.Hermes仿真结果

如下图，仿真结果精度满足要求。

图12 

仿真结果

三、元器件电路仿真

芯和XDS软件可以实现电感元器件和射频电路电路仿真，如下图所示。  

图13 

XDS搭建电路图仿真

仿真结果如下， 精度满足要求。

Zs=sqrt(real(1/Y(1,Port1,Port1))*real(1/Y(1,Port1,Port1))+imag(1/Y(1,Port1,Port1))*imag(1/Y(1,Port1,Port1)))

图14 

XDS电路仿真结果

四、元器件库管理和集成

芯和元器件Libmanager可实现器件库管理，管理元器件的编码、参数和仿真模型等，同时能快速查看器件各种参数规格，如ZCLQESR等参数。方便设计者进行元器件的选型。

图15

元器件库管理功能

图16

元器件库管理示例

 

总结

随着系统复杂度和速率的提升，元器件的电性能建模、仿真和优化变得愈发重要。芯和半导体为元器件客户提供全方位的解决方案，旨在解决器件的电性能需求和问题，以提升器件的性能和质量，满足系统客户对整机仿真的需求。我们提供电容和电感元器件的全流程仿真解决方案，包括器件电磁建模仿真、电磁场仿真以及S参数仿真。此外，我们还提供测试S参数去嵌、S参数拼接、平滑滤波，以及串联和并联S参数转换，实现S参数到SPICE模型的转换。我们还涵盖了器件的C、L、ESR参数仿真，器件库的集成管理和维护，以及电路仿真等领域。

        审核编辑：彭菁