一文了解仿真驱动型电子设计

一些广为人知的技术和大受欢迎的产品是如何诞生的？当然，在此过程中要克服硬件和软件方面的工程挑战，而仿真是设计成型之前和之后的重要工具，用于确保设计质量符合要求。仿真驱动型设计流程的目的是在设计前端利用仿真功能，确保新设计能够正常运行。

 

先进电子产品的仿真驱动型设计涉及哪些流程？电子产品的复杂程度远远超过电路，这意味着必须在多个层面上进行仿真驱动的设计，才能更好地了解产品的运行是否可靠。通过仿真，设计人员能够从多个层面审查系统，同时只关注某些性能方面。采用针对特定领域的方法，可以关注原型验证和测试过程中无法触及的特定性能特征和设计因素。

 

 

企业的仿真驱动型设计流程

 

仿真驱动型设计和工程实际上非常普遍，是开发许多复杂系统不可或缺的一个环节。仿真驱动型设计有许多目标，但最重要的目标之一是在批量生产前，验证新设计及其预期原型的质量是否符合要求。如果省去制造原型这一步，就可以节约成本，加快产品上市。部署仿真和分析软件需要预先投入资金，但这种投资的回报非常可观，能够提升企业的竞争力，节约成本。

 

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仿真的对象

 

下面我们看一看电子产品仿真和分析的具体应用领域有哪些。如今，许多公司都在系统层面开展业务，其开发活动涵盖从芯片到整个组件和系统在内的各个方面。下文列出的仿真活动涉及产品的各个层面——从单个芯片/封装到整个组装。

 

逻辑仿真	在原理图层面进行—— 逻辑验证（芯片和组装层面） 模拟电路的 SPICE 仿真   布局前信号完整性 - 通道模型能否在特定电路中正常运行
PCB	数字—— 信号完整性、电源完整性   通道合规性 RF—— 辐射、噪声耦合等   印刷电路元件设计评估
芯片/封装	封装中的电能耗散和分布   热膨胀和稳态温度   可靠性：振动、热循环、疲劳
组装（热和电气层面）	重点关注 PCBA 及其外壳—— 有意辐射（天线等）   EMI 和 EMC 合规性   电热仿真 气流/冷却评估
组装（可靠性）	多轮热和机械可靠性仿真—— 热循环   振动   热冲击和机械冲击   疲劳失效

 

在进行仿真驱动型设计时，需要使用数值求解器对上述各个方面进行检查。通常在设计阶段的不同时间点分别处理上述问题，但也可以通过“仿真-分析-设计-重复”这一迭代流程进行处理，具体步骤如下。

 

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仿真-分析-设计-重复

 

仿真驱动型设计是一个迭代过程，因为通常情况下，评估或研究设计是实验的一部分。有时我们无法了解特定电路或组件在实际使用时的运行状况，因此仿真就成了迭代优化部分设计并达到性能目标的唯一方法。仿真驱动型设计中的优化概念是整个流程的核心。

 

仿真驱动型设计流程概述如下。首先需要在数值求解器中进行鉴定和评估设计成品。通常情况下，在仿真中需要检查和鉴定一些性能目标，依据是一些更广泛的最终产品性能指标。此时，通常可以参考在设计阶段初期收集的工程需求，以描述性能目标并作为比较的基础。

 

 

仿真驱动型设计流程依托一个简单的迭代概念，我们将在下文进行探讨。也许 RF 工程师和高速设计数字工程师最熟悉这一流程，但这一理念同样适用于系统层面的设计。该流程适用于上表中的每个方面，可以帮助我们更好地了解系统行为和可靠性。最终，通过这个迭代过程，系统设计人员可以找到兼顾性能、成本、可靠性和可制造性的最佳设计。

 

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逻辑和原理图

 

对于电子系统来说，原理图是仿真驱动型设计的起点。原理图是创建电路的蓝图，随后将原理图应用于 PCB 或组装中，进行元件摆放和设计物理 layout。原理图显示了最终组装中的电气连接，非常适合专门针对逻辑执行仿真驱动型设计流程。

 

在系统层面，原理图中使用的主要仿真类型包括：

 

电路（通常为模拟电路）的 SPICE 仿真

复杂数字电路的逻辑仿真

使用 IBIS 模型进行信号完整性仿真

使用网络参数（通常为 S 参数）进行信号完整性仿真

 

使用 SPICE 或 IBIS 建模进行的原理图仿真属于电气仿真，因此需要使用电气模型来更好地了解某些器件在规模更大的系统中的运行情况。这是前端设计和工程设计中的重要一环，将为系统设计人员提供所需的 S 参数模型，用于仿真系统中使用的重要器件的行为。

 

以下面的仿真项目为例。要想在系统层面运行，意味着每个器件都对应一个电气模型，用于描述信号传播。实际上，这些模型将输入映射到输出。

 

在 Cadence AWR 平台中沿互连进行的系统级相位噪声仿真。

 

前端仿真中的电气模型必须通过器件级仿真或直接测量来确定。对于许多 RF 器件（放大器、滤波器等），其电气模型由元件供应商提供，也可以使用某些测试设备进行测量。

 

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PCB 仿真

 

可以采用多种方法对 PCB 进行仿真以评估其性能和/或可靠性。在不同的环境中需要部署不同的器件，PCB 上每个子系统的性能或可靠性需求也许不需要单独进行深层次的评估。在 PCB 上，需要从三个主要方面入手，以评估仿真的电气性能：

 

设计中的特定子系统是否能满足运行需求

Layout 中的电气性能是否偏离逻辑仿真结果，偏离程度如何

确定 Layout 的哪些部分需要进行更详细的仿真以了解其行为

 

由于 PCB layout 非常复杂，需要使用数值场求解器对这些系统进行仿真。利用场求解器，可以在附近存在一组复杂器件的情况下对设计中的信号行为进行建模。由于存在器件、其他导体、特定材料和组装中的其他物理对象，PCB layout 中的信号行为将偏离原理图中仿真的理想行为。

 

在仿真驱动型设计中，可以将 PCB 划分为几个特定的部分，分别进行仿真，这种做法非常有用，并且更有针对性，可以对特定的设计选择进行评估和鉴定。通常，需要进行仿真的特定子系统包括电源分配网络 (PDN)、高速通道和连接器接口、天线等 RF 器件以及用于验证损耗/阻抗的传输线设计。

 

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芯片和封装

 

除 PCB 外，系统分析中还经常需要对一些单个器件进行仿真。同样，也要对半导体及其封装进行电热评估。通常在签核前的设计阶段对半导体器件进行仿真和分析。对于（SoC/模块的）封装和相关器件在 PCB 中的摆放位置，也需要进行信号完整性、热行为和机械行为仿真。

 

器件及其封装的热仿真结果示例。

 

那么，对于 PCB 中的芯片/封装，该如何进行热仿真？PCB 是一个电气系统，而所有电气系统都会产生一些热量，因此不能孤立地分析 PCB 的热特性。相反，在设计中必须考虑热特性和电气特性之间的相互作用。

 

大多数热分析常局限在机械或系统层面进行，难以准确仿真电子影响或发现潜在问题，导致团队苦于晚期设计修改与迭代，影响项目时程。

 

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组装层面的仿真

 

在设计阶段结束时进行组装级仿真，此时整个组装设计已经完成，可以进行全面评估。此类仿真通常围绕可靠性和热行为进行，也可能涉及 EMI/RF 规范。具体项目总结于下表中。

 

组装可靠性	电气/RF
热仿真（循环、冲击）	ESD 仿真
冷却 CFD 仿真	封装辐射
机械仿真（振动、冲击）	EMI 和 EMC 合规性

 

在仿真驱动型设计流程的设计阶段，除非出现灾难性故障，否则通常不会对整个系统进行大范围的重新设计。例如，热冲击或机械冲击可能导致特定器件失效（如焊球断裂），这也是导致设计变更的原因之一。在这种情况下，可以将失效器件换成其他封装。

 

与重新设计整个 PCB 相比，采用另外一些策略可能更为合适，如组装级或外壳级设计变更。这样做可以降低成本，或者可以缩短纠正可靠性问题所需的重新设计时间。例如，当发现冷却措施不充分时，可以更改机箱设计，使机箱内有更多的气流或增加热传递。在这种情况下，对 PCB 或器件本身进行基于可靠性的设计变更成本太高。

 

可以通过 CFD 仿真来追踪整个机箱内的气流，并预测组装内的平衡温度。

 

由于这些仿真可能非常复杂，需要借助一套得心应手的仿真工具。这些系统通常作为多物理场问题进行仿真，以便了解不同领域的物理行为之间的耦合。虽然这些工具可能很复杂，但 EDA 供应商生态系统可以帮助用户在设计工具和仿真器之间快速切换，从而实现理想的仿真驱动型设计流程。

 

利用 Cadence 的全套系统分析工具，先进电子产品的设计团队可以更快地将质量更出色的产品推向市场。那么，究竟什么是系统设计？Cadence 为何倡导创新系统设计？创新系统设计在消费电子、5G、云端、汽车等领域又有怎样的应用？