以模型為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)開發(fā)，在Simulink建立模型並模擬混和訊號IC設(shè)計(jì)、受控體和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS），可讓產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行電路層級的設(shè)計(jì)之前，先經(jīng)過高層級的設(shè)計(jì)規(guī)格驗(yàn)證，藉此能夠有效提升整體設(shè)計(jì)品質(zhì)。本文展示馬達(dá)和感測器的範(fàn)例。
為了應(yīng)付不斷提高的競爭壓力，積體電路（integrated circuit；IC）製造商即便面對設(shè)計(jì)複雜度以及客戶對於品質(zhì)和產(chǎn)品性能的要求均提升的情況，還是必須盡可能地縮短交貨時(shí)程。許多製造商發(fā)現(xiàn)讓團(tuán)隊(duì)執(zhí)行以文件為基礎(chǔ)的規(guī)格驗(yàn)證，並且傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)途徑在最終生產(chǎn)版本確認(rèn)之前，必須經(jīng)過多次製作產(chǎn)品原型，這樣的開發(fā)速度已很難跟上現(xiàn)今的產(chǎn)業(yè)節(jié)奏。
在ROHM，把以模型為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)整合加入馬達(dá)控制應(yīng)用、感測器應(yīng)用、電源系統(tǒng)等IC開發(fā)流程。在Simulink建立模型並模擬混和訊號IC設(shè)計(jì)、受控體、和微機(jī)電系統(tǒng)（microelectromechanical systems；MEMS），可讓產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行電路層級的設(shè)計(jì)之前，先經(jīng)過高層級的設(shè)計(jì)規(guī)格驗(yàn)證。這樣的方式減少重複工作、開發(fā)時(shí)間、以及原型的數(shù)量，同時(shí)也提升整體設(shè)計(jì)品質(zhì)。
舉例來說，在Simulink建立及驗(yàn)證的模型自動產(chǎn)生Verilog程式碼，將可使花費(fèi)在驗(yàn)證上的時(shí)間從一個(gè)月縮短為幾天。除了開發(fā)效率之外，設(shè)計(jì)品質(zhì)也獲得改善，甚至是可以讓執(zhí)行階段錯(cuò)誤的數(shù)量減少為零。
透過以模型為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，我們可以建立產(chǎn)品的原型?且該產(chǎn)品原型經(jīng)過了模型層級的規(guī)格驗(yàn)證，並確認(rèn)電路層級的功能和特性符合設(shè)計(jì)規(guī)格?也只需要建立一次的產(chǎn)品原型，便直接從原型進(jìn)入到量產(chǎn)階段，而不需要讓建立原型的步驟反覆進(jìn)行三到四次。
以模型為基礎(chǔ)的馬達(dá)控制IC設(shè)計(jì)
在開發(fā)馬達(dá)控制應(yīng)用的IC時(shí)，我們的團(tuán)隊(duì)從建立被控制的馬達(dá)模型來開始設(shè)計(jì)流程。在Simulink使用運(yùn)動方程式和電壓方程式來建立馬達(dá)的機(jī)構(gòu)與電氣特性的模型，接著使用MATLAB來依據(jù)馬達(dá)實(shí)際的量測值進(jìn)行模型參數(shù)的擬合。按團(tuán)隊(duì)所設(shè)計(jì)的馬達(dá)模型，也可以納入因電感式感測控制造成的磁飽和（magnetic saturation）效應(yīng)以及軸心錯(cuò)位（shaft misalignment）造成的顫動和晃動。作為受控體模型的一部分，將透過Simscape建立的馬達(dá)驅(qū)動器電晶體的模型加進(jìn)來（圖1）。這個(gè)驅(qū)動器模型能夠分析瞬變的特性，例如脈衝寬度調(diào)變開始時(shí)因?yàn)轳R達(dá)線圈內(nèi)的寄生電容（parasitic capacitance）造成的電流震盪。
| 圖1 : Simulink內(nèi)的馬達(dá)控制與受控體模型。 |
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在Simulink建立了馬達(dá)的控制器模型，接著執(zhí)行加入控制器和受控體的系統(tǒng)層級模擬，檢查設(shè)計(jì)當(dāng)中控制函式的速度、位置及上升。在透過此方法驗(yàn)證控制器設(shè)計(jì)之後，使用Fixed-Point Designer（定點(diǎn)設(shè)計(jì)工具箱）將控制演算法轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)。接著利用HDL Coder（硬體描述語言轉(zhuǎn)碼器）從模型產(chǎn)生可合成的Verilog RTL程式碼，不但加快實(shí)現(xiàn)的速度，並且消除先前以手動編寫程式碼時(shí)所面臨的編程錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)。
藉由DPI-C模型生成開發(fā)MEMS裝置
對於牽涉到MEMS感測器及和感測器IC相關(guān)的專案，我們採用的開發(fā)流程與馬達(dá)控制IC使用的開發(fā)流程類似。不過，這裡不以執(zhí)行測試來進(jìn)行馬達(dá)的特性化，而是使用3D電磁分析和結(jié)構(gòu)分析來進(jìn)行MEMS裝置的特性化，接著將透過這項(xiàng)流程所定義的參數(shù)，擬合至裝置的Simulink模型。或者在MATLAB執(zhí)行轉(zhuǎn)換函式辨識和多重迴歸的近似值，接著將轉(zhuǎn)換函式作為裝置的一個(gè)模型來使用。
我們建立一個(gè)感測器IC的Simulink模型，與馬達(dá)控制器模型相似，可被當(dāng)作設(shè)計(jì)的可執(zhí)行規(guī)格。透過Simulink的系統(tǒng)層級模擬，可以在Cadence Virtuoso平臺上調(diào)整設(shè)計(jì)之前，便及早進(jìn)行規(guī)格的驗(yàn)證。
在MEMS設(shè)計(jì)工作流程上，還可以執(zhí)行不在馬達(dá)工作流程之中的額外驗(yàn)證步驟。我們特別使用HDL Verifier（HDL設(shè)計(jì)驗(yàn)證工具）搭配Embedded Coder（嵌入式程式碼轉(zhuǎn)碼器）從Simulink MEMS裝置模型產(chǎn)生一個(gè)SystemVerilog DPI-C模型（圖2）。
接下來，在Cadence環(huán)境裡面使用SystemVerilog模型來完整檢驗(yàn)我們的IC設(shè)計(jì)（包括放大器、類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器、數(shù)位處理邏輯），並且一面在sign-off驗(yàn)證之前，持續(xù)地使設(shè)計(jì)精進(jìn)完善。這項(xiàng)技巧不只提高了開發(fā)效率，也因?yàn)槲覀冊赟imulink及Cadence Virtuoso均通過一致的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，而有助於確保設(shè)計(jì)品質(zhì)。
以FPGA迴圈供客戶評估
我們的許多客戶發(fā)現(xiàn)，能夠?qū)﹂_發(fā)當(dāng)中的ROHM產(chǎn)品進(jìn)行評估的這項(xiàng)能力，可為自家的開發(fā)過程帶來重要的幫助。對於這些客戶，我們使用HDL Coder從Simulink IC模型產(chǎn)生HDL程式碼，並且將模型部署至FPGA評估板。這些客戶便可以使用板子來評估他們的硬體設(shè)計(jì)。並且可以使用HDL Verifier來搭配其系統(tǒng)層級Simulink模型執(zhí)行FPGA迴圈模擬，以進(jìn)行瞬變分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化。這兩種方法讓我們的機(jī)密IP受到保護(hù)，因?yàn)榉窒沓鋈サ闹挥蠪PGA上的實(shí)現(xiàn)，而不是我們的原始設(shè)計(jì)資產(chǎn)。
創(chuàng)立以模型為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)群組
為了幫助ROHM的產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)導(dǎo)入以模型為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方式，我們發(fā)起一個(gè)以模型為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)群組，由具備豐富設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的工程師團(tuán)隊(duì)組成。這個(gè)群組開發(fā)可讓其他團(tuán)隊(duì)更輕鬆地在Simulink執(zhí)行建模、模擬的資產(chǎn)，做為由上而下的IC設(shè)計(jì)工作流程的一部分。資產(chǎn)包含模型樣板、文件、工具（例如參數(shù)擷取的工具），以及馬達(dá)模型、MEMS模型、SystemVerilog DPI-C生成的技術(shù)指南。
這個(gè)群組也分享建模技巧、進(jìn)行內(nèi)部的簡報(bào)和教育訓(xùn)練來幫助團(tuán)隊(duì)快速上手。群組一開始是以日本當(dāng)?shù)氐腞OHM團(tuán)隊(duì)作為目標(biāo)對象，現(xiàn)在則協(xié)助ROHM的海外設(shè)計(jì)中心籌建擅長於以模型為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)專案的團(tuán)隊(duì)。
許多ROHM團(tuán)隊(duì)已做好採用以模型為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)的準(zhǔn)備，雖然有少數(shù)仍然因?yàn)樯形唇⒑盟麄兯鶎兕I(lǐng)域的以模型為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)環(huán)境而有些抗拒。針對後者，以模型為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)群組會多花時(shí)間展現(xiàn)採取該途徑的好處，以及其他已採用團(tuán)隊(duì)體認(rèn)到的優(yōu)勢。更近期，我們也設(shè)置了使用Simulink來開發(fā)感測器IC和馬達(dá)IC的工作群組。ROHM工程師加入這些群組來分享技術(shù)資訊和了解更多和許多群組相關(guān)的主題，包含如何在Simscape建立MOSFET驅(qū)動器模型、如何建立高精確度的MEMS模型，以及如何辨識現(xiàn)有電路的頻率響應(yīng)。
延伸使用以模型為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)
在我們所屬的單位之中，使用以模型為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)的團(tuán)隊(duì)數(shù)量呈現(xiàn)穩(wěn)定成長。此外，開始看到以模型為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)被運(yùn)用在公司的各個(gè)事業(yè)部，包含負(fù)責(zé)開發(fā)和生產(chǎn)碳化矽（silicon carbide；SiC）和絕緣閘雙極電晶體（insulated-gate bipolar transistor；IGBT）產(chǎn)品的團(tuán)隊(duì)。最近也從汽車產(chǎn)業(yè)客戶看到更多以模型為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)的需求。ROHM現(xiàn)在處於符合這些需求的絕佳位置。
（本文由鈦思科技提供；作者Kyoji Marumoto、Hiroshi Nishide任職於ROHM公司）
