一文了解仿真驅動型電子設計

一些廣為人知的技術和大受歡迎的產品是如何誕生的？當然，在此過程中要克服硬件和軟件方面的工程挑戰，而仿真是設計成型之前和之后的重要工具，用于確保設計質量符合要求。仿真驅動型設計流程的目的是在設計前端利用仿真功能，確保新設計能夠正常運行。

先進電子產品的仿真驅動型設計涉及哪些流程？電子產品的復雜程度遠遠超過電路，這意味著必須在多個層面上進行仿真驅動的設計，才能更好地了解產品的運行是否可靠。通過仿真，設計人員能夠從多個層面審查系統，同時只關注某些性能方面。采用針對特定領域的方法，可以關注原型驗證和測試過程中無法觸及的特定性能特征和設計因素。

企業的仿真驅動型設計流程

仿真驅動型設計和工程實際上非常普遍，是開發許多復雜系統不可或缺的一個環節。仿真驅動型設計有許多目標，但最重要的目標之一是在批量生產前，驗證新設計及其預期原型的質量是否符合要求。如果省去制造原型這一步，就可以節約成本，加快產品上市。部署仿真和分析軟件需要預先投入資金，但這種投資的回報非?？捎^，能夠提升企業的競爭力，節約成本。

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仿真的對象

下面我們看一看電子產品仿真和分析的具體應用領域有哪些。如今，許多公司都在系統層面開展業務，其開發活動涵蓋從芯片到整個組件和系統在內的各個方面。下文列出的仿真活動涉及產品的各個層面——從單個芯片/封裝到整個組裝。

在進行仿真驅動型設計時，需要使用數值求解器對上述各個方面進行檢查。通常在設計階段的不同時間點分別處理上述問題，但也可以通過“仿真-分析-設計-重復”這一迭代流程進行處理，具體步驟如下。

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仿真-分析-設計-重復

仿真驅動型設計是一個迭代過程，因為通常情況下，評估或研究設計是實驗的一部分。有時我們無法了解特定電路或組件在實際使用時的運行狀況，因此仿真就成了迭代優化部分設計并達到性能目標的唯一方法。仿真驅動型設計中的優化概念是整個流程的核心。

仿真驅動型設計流程概述如下。首先需要在數值求解器中進行鑒定和評估設計成品。通常情況下，在仿真中需要檢查和鑒定一些性能目標，依據是一些更廣泛的最終產品性能指標。此時，通?？梢詤⒖荚谠O計階段初期收集的工程需求，以描述性能目標并作為比較的基礎。

仿真驅動型設計流程依托一個簡單的迭代概念，我們將在下文進行探討。也許 RF 工程師和高速設計數字工程師最熟悉這一流程，但這一理念同樣適用于系統層面的設計。該流程適用于上表中的每個方面，可以幫助我們更好地了解系統行為和可靠性。最終，通過這個迭代過程，系統設計人員可以找到兼顧性能、成本、可靠性和可制造性的最佳設計。

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邏輯和原理圖

對于電子系統來說，原理圖是仿真驅動型設計的起點。原理圖是創建電路的藍圖，隨后將原理圖應用于 PCB 或組裝中，進行元件擺放和設計物理 layout。原理圖顯示了最終組裝中的電氣連接，非常適合專門針對邏輯執行仿真驅動型設計流程。

在系統層面，原理圖中使用的主要仿真類型包括：

電路（通常為模擬電路）的 SPICE 仿真

復雜數字電路的邏輯仿真

使用 IBIS 模型進行信號完整性仿真

使用網絡參數（通常為 S 參數）進行信號完整性仿真

使用 SPICE 或 IBIS 建模進行的原理圖仿真屬于電氣仿真，因此需要使用電氣模型來更好地了解某些器件在規模更大的系統中的運行情況。這是前端設計和工程設計中的重要一環，將為系統設計人員提供所需的 S 參數模型，用于仿真系統中使用的重要器件的行為。

以下面的仿真項目為例。要想在系統層面運行，意味著每個器件都對應一個電氣模型，用于描述信號傳播。實際上，這些模型將輸入映射到輸出。

在 Cadence AWR 平臺中沿互連進行的系統級相位噪聲仿真。

前端仿真中的電氣模型必須通過器件級仿真或直接測量來確定。對于許多 RF 器件（放大器、濾波器等），其電氣模型由元件供應商提供，也可以使用某些測試設備進行測量。

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PCB 仿真

可以采用多種方法對 PCB 進行仿真以評估其性能和/或可靠性。在不同的環境中需要部署不同的器件，PCB 上每個子系統的性能或可靠性需求也許不需要單獨進行深層次的評估。在 PCB 上，需要從三個主要方面入手，以評估仿真的電氣性能：

設計中的特定子系統是否能滿足運行需求

Layout 中的電氣性能是否偏離邏輯仿真結果，偏離程度如何

確定 Layout 的哪些部分需要進行更詳細的仿真以了解其行為

由于 PCB layout 非常復雜，需要使用數值場求解器對這些系統進行仿真。利用場求解器，可以在附近存在一組復雜器件的情況下對設計中的信號行為進行建模。由于存在器件、其他導體、特定材料和組裝中的其他物理對象，PCB layout 中的信號行為將偏離原理圖中仿真的理想行為。

在仿真驅動型設計中，可以將 PCB 劃分為幾個特定的部分，分別進行仿真，這種做法非常有用，并且更有針對性，可以對特定的設計選擇進行評估和鑒定。通常，需要進行仿真的特定子系統包括電源分配網絡 (PDN)、高速通道和連接器接口、天線等 RF 器件以及用于驗證損耗/阻抗的傳輸線設計。

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芯片和封裝

除 PCB 外，系統分析中還經常需要對一些單個器件進行仿真。同樣，也要對半導體及其封裝進行電熱評估。通常在簽核前的設計階段對半導體器件進行仿真和分析。對于（SoC/模塊的）封裝和相關器件在 PCB 中的擺放位置，也需要進行信號完整性、熱行為和機械行為仿真。

器件及其封裝的熱仿真結果示例。

那么，對于 PCB 中的芯片/封裝，該如何進行熱仿真？PCB 是一個電氣系統，而所有電氣系統都會產生一些熱量，因此不能孤立地分析 PCB 的熱特性。相反，在設計中必須考慮熱特性和電氣特性之間的相互作用。

大多數熱分析常局限在機械或系統層面進行，難以準確仿真電子影響或發現潛在問題，導致團隊苦于晚期設計修改與迭代，影響項目時程。

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組裝層面的仿真

在設計階段結束時進行組裝級仿真，此時整個組裝設計已經完成，可以進行全面評估。此類仿真通常圍繞可靠性和熱行為進行，也可能涉及 EMI/RF 規范。具體項目總結于下表中。

在仿真驅動型設計流程的設計階段，除非出現災難性故障，否則通常不會對整個系統進行大范圍的重新設計。例如，熱沖擊或機械沖擊可能導致特定器件失效（如焊球斷裂），這也是導致設計變更的原因之一。在這種情況下，可以將失效器件換成其他封裝。

與重新設計整個 PCB 相比，采用另外一些策略可能更為合適，如組裝級或外殼級設計變更。這樣做可以降低成本，或者可以縮短糾正可靠性問題所需的重新設計時間。例如，當發現冷卻措施不充分時，可以更改機箱設計，使機箱內有更多的氣流或增加熱傳遞。在這種情況下，對 PCB 或器件本身進行基于可靠性的設計變更成本太高。

可以通過 CFD 仿真來追蹤整個機箱內的氣流，并預測組裝內的平衡溫度。

由于這些仿真可能非常復雜，需要借助一套得心應手的仿真工具。這些系統通常作為多物理場問題進行仿真，以便了解不同領域的物理行為之間的耦合。雖然這些工具可能很復雜，但 EDA 供應商生態系統可以幫助用戶在設計工具和仿真器之間快速切換，從而實現理想的仿真驅動型設計流程。

利用 Cadence 的全套系統分析工具，先進電子產品的設計團隊可以更快地將質量更出色的產品推向市場。那么，究竟什么是系統設計？Cadence 為何倡導創新系統設計？創新系統設計在消費電子、5G、云端、汽車等領域又有怎樣的應用？