元器件建模與仿真挑戰

前言

隨著電子系統高速、高帶寬、大功耗、低壓大電流的發展，電子系統設計面臨更大挑戰。從元器件到電路模塊、系統都需要進行建模仿真，優化元器件電性能和可靠性，從而提升電子系統穩定性。電容、電感等無源器件作為電路設計最基本、最常用的組成部分，系統設計工程師需要對電容、電感等無源器件進行建模仿真，優化元器件電性能和可靠性設計，并提取元器件的s參數進行系統級的仿真優化。

元器件建模與仿真挑戰

無源器件電阻、電容、電感、變壓器等廣泛應用于電子系統設備，器件性能和可靠性決定了電子系統可靠性。

隨著系統、器件的應用帶寬、速率越來越高，對元器件電性能要求越來越嚴格。通過仿真手段優化元器件設計，提升性能尤為重要。

電容、電感等無源器件仿真主要需求如下所示：

圖 2

無源器件建模仿真需求1

圖3

無源器件建模仿真需求2

與此同時，電容電感等元器件也面臨著仿真挑戰：

儀器測試的s參數頻率范圍不足，低頻和高頻需要進行拼接。由于測試夾具影響，會導致s參數有毛刺和測試數據不對稱，需要軟件高精度算法仿真優化。

實現元器件SPICE模型、各種參數等多樣化需求的快速求解技術。

實現元器件參數化建模仿真技術，以及磁性器件低頻電磁場和S參數仿真技術。

元器件建模與仿真解決方案

針對元器件建模仿真方案主要包含幾大部分：參數處理分析、3D建模電磁場仿真、電路仿真、庫管理和集成。

圖4

芯和元器件建模解決方案

一、元器件s參數處理和分析解決方案

芯和SnpExpert軟件實現元器件s參數處理分析，包括以下功能:

1. 數據拼接仿真功能：

圖 5

數據拼接仿真

2. 毛刺濾波平滑功能：

圖6

數據平滑濾波

3. Q/C/L參數轉換功能：

圖7

參數轉換

4. S參數轉SPICE模型：

圖8

SPICE模型生成

二、器件3D建模仿真

1.Hermes 3D模型創建和導入

打開Hermes，選擇下圖的3D，再選擇SAT，在對話框中選擇對應的SAT文件導入。

圖9

Hermes 3D模型創建和導入

2.材料參數設置

選擇對應物體后，右鍵選擇材料即可進入材料編輯窗口。

圖10

材料參數設置

配置完成后，左側模型樹會顯示對應模型的材料屬性歸類。此case需要對模型的金屬及介質層進行材料的設置指定。

3.Port添加

選擇剛剛新建完的矩形，右鍵添加lump port，并隨機選擇其中一個焊盤為參考。

圖11

Port添加

4.Hermes仿真結果

如下圖，仿真結果精度滿足要求。

圖12

仿真結果

三、元器件電路仿真

芯和XDS軟件可以實現電感元器件和射頻電路電路仿真，如下圖所示。

圖13

XDS搭建電路圖仿真

仿真結果如下， 精度滿足要求。

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)))

圖14

XDS電路仿真結果

四、元器件庫管理和集成

芯和元器件Libmanager可實現器件庫管理，管理元器件的編碼、參數和仿真模型等，同時能快速查看器件各種參數規格，如ZCLQESR等參數。方便設計者進行元器件的選型。

圖15

元器件庫管理功能

圖16

元器件庫管理示例

總結

隨著系統復雜度和速率的提升，元器件的電性能建模、仿真和優化變得愈發重要。芯和半導體為元器件客戶提供全方位的解決方案，旨在解決器件的電性能需求和問題，以提升器件的性能和質量，滿足系統客戶對整機仿真的需求。我們提供電容和電感元器件的全流程仿真解決方案，包括器件電磁建模仿真、電磁場仿真以及S參數仿真。此外，我們還提供測試S參數去嵌、S參數拼接、平滑濾波，以及串聯和并聯S參數轉換，實現S參數到SPICE模型的轉換。我們還涵蓋了器件的C、L、ESR參數仿真，器件庫的集成管理和維護，以及電路仿真等領域。

審核編輯：彭菁