Verbesserung der Effizienz von IC-Entwicklungen durch Model-Based Design

Als Reaktion auf den zunehmenden Wettbewerbsdruck verkürzen die Hersteller integrierter Schaltkreise (ICs) ihre Lieferzeiten, obwohl die Designs immer komplexer werden und die Erwartungen der Kunden an Qualität und Leistung steigen. Viele Hersteller stellen fest, dass herkömmliche Designansätze, bei denen Teams eine dokumentenbasierte Überprüfung der Spezifikation durchführen und mehrere Prototypen erstellen, bevor die endgültige Produktionsversion entsteht, mittlerweile zu langsam sind, um mit dem aktuellen Tempo der Branche Schritt zu halten.

Bei ROHM haben wir Model-Based Design in unseren IC-Entwicklungsprozess für Motorsteuerungsanwendungen, Sensoranwendungen und Stromversorgungssysteme integriert. Modellierung und Simulation von Mixed-Signal-IC-Designs, Anlagen und mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) in Simulink^® haben es Produktteams ermöglicht, Design-Spezifikationen auf hohem Abstraktionsniveau zu überprüfen, bevor sie mit dem Design auf Schaltungsebene fortfahren. Dieser Ansatz reduziert Nacharbeit, Entwicklungszeit und die Anzahl der Prototypen und erhöht gleichzeitig die Gesamtdesignqualität. Zum Beispiel können wir die Verifikationszeit durch die automatische Generierung von Verilog^®-Code aus Modellen, die wir in Simulink erstellt und überprüft haben, von einem Monat auf wenige Tage reduzieren. Dies verbessert nicht nur die Entwicklungseffizienz, sondern auch die Qualität, indem die Anzahl der Implementierungsfehler auf Null reduziert wird. Mit Model-Based Design können wir einen Produktprototyp erstellen, bei dem die Spezifikation auf Modellebene bereits verifiziert wurde und bei dem bestätigt wurde, dass die Funktionen und Charakteristiken auf Schaltungsebene den Designspezifikationen entsprechen. Dies geschieht nur einmal statt drei- oder viermal und wir können direkt vom Prototyp zur Massenproduktion übergehen.

In diesem Artikel werden Motor- und Sensorfelder vorgestellt.

Model-Based Design für Motorsteuerungs-ICs

Bei der Entwicklung von ICs für Motorsteuerungsanwendungen beginnen unsere Teams den Entwurfsprozess mit der Modellierung des zu steuernden Motors. Wir modellieren die mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Motors in Simulink mithilfe von Bewegungsgleichungen und der Spannungsgleichung und verwenden dann MATLAB^®, um die Parameter dieses Modells anhand der Messwerte eines tatsächlichen Motors anzupassen. Je nach dem von unseren Teams entwickelten Motormodell können wir auch die Auswirkungen der magnetischen Sättigung durch die induktiven Sensorsteuerungen und die Auswirkungen von Gleichlaufschwankungen aufgrund einer Wellenfehlausrichtung berücksichtigen. Als Teil des Anlagenmodells integrieren wir ein Modell der Antriebstransistoren des Motors, das wir mit Simscape™ erstellen (Abbildung 1). Mit diesem Antriebsmodell können wir transiente Eigenschaften analysieren, beispielsweise Stromschwankungen zu Beginn der Pulsweitenmodulation, die durch parasitäre Kapazitäten in der Motorwicklung verursacht werden.

Wir modellieren den Motorcontroller ebenfalls in Simulink und führen dann Simulationen auf Systemebene mit dem Controller und der Anlage zusammen durch, um Geschwindigkeit, Position und Anstieg der Steuerfunktionen des Designs zu überprüfen. Nachdem wir den Reglerentwurf auf diese Weise überprüft haben, verwenden wir Fixed-Point Designer™, um die Regelalgorithmen in Festkommawerte umzuwandeln. Anschließend generieren wir mit HDL Coder™ synthetisierbares Verilog RTL aus dem Modell, wodurch die Implementierung beschleunigt und das Risiko von Codierungsfehlern, die zuvor bei der manuellen Codierung auftraten, eliminiert wird.

Entwicklung von MEMS-Geräten mit DPI-C-Modellgenerierung

Für Projekte mit MEMS-Sensoren und zugehörigen Sensor-ICs verwenden wir einen Entwicklungsprozess, der dem für Motorsteuerungs-ICs sehr ähnlich ist. Anstatt Tests zur Charakterisierung eines Motors durchzuführen, verwenden wir jedoch 3D-Tools zur elektromagnetischen Analyse und Strukturanalyse, um den MEMS-Baustein zu charakterisieren und passen dann die durch diesen Prozess identifizierten Parameter an ein Simulink-Modell des Bausteins an. Alternativ führen wir eine Identifikation der Übertragungsfunktion und eine multiple Regressionsapproximation in MATLAB durch und verwenden dann die Übertragungsfunktion als Modell des Geräts.

Wir erstellen ein Simulink-Modell des Sensor-ICs, das ähnlich wie das Motorcontroller-Modell als ausführbare Spezifikation des Designs dient. Durch Simulationen auf Systemebene in Simulink überprüfen wir diese Spezifikation frühzeitig, bevor wir das Design auf der Cadence^® Virtuose^®-Plattform verfeinern.

In unserem MEMS-Design-Workflow können wir einen zusätzlichen Verifizierungsschritt durchführen, der nicht Teil unseres Motor-Workflows ist. Konkret verwenden wir HDL Verifier™ mit Embedded Coder^®, um aus unserem Simulink MEMS-Gerätemodell ein SystemVerilog DPI-C-Modell zu generieren (Abbildung 2). Anschließend verwenden wir dieses SystemVerilog-Modell in der Cadence-Umgebung, um unseren IC-Entwurf – einschließlich Verstärker, Analog-Digital-Wandler und digitaler Verarbeitungslogik – vollständig zu validieren, während wir ihn vor der Freigabeprüfung weiter ausarbeiten. Diese Technik erhöht nicht nur die Entwicklungseffizienz, sondern hilft auch bei der Sicherstellung der Designqualität, da wir eine konsistente Überprüfung des Designs durchführen, zuerst in Simulink und dann in Cadence Virtuoso.

Kundenbewertungen von FPGA-in-the-Loop

Viele unserer Kunden sind der Ansicht, dass die Möglichkeit, ein in der Entwicklung befindliches ROHM-Produkt zu bewerten, ein erheblicher Vorteil in ihren eigenen Entwicklungsprozessen ist. Für diese Kunden generieren wir mithilfe von HDL Coder HDL-Code aus unserem Simulink-IC-Modell und stellen ihn auf einer FPGA-Evaluierungsplatine bereit. Die Kunden können die Platine dann zur Evaluierung ihrer Hardwaredesigns verwenden. Alternativ können Kunden HDL Verifier verwenden, um FPGA-in-the-Loop-Simulationen mit ihren eigenen Simulink-Modellen auf Systemebene zur transienten Analyse und Designoptimierung durchzuführen. Bei beiden Ansätzen ist unser sensibles geistiges Eigentum geschützt, da wir nur die FPGA-Implementierung freigeben, nicht aber unsere Quelldesign-Assets.

Einführung einer Model-Based-Design-Kultur bei ROHM

Um die Produktteams bei ROHM bei der Einführung von Model-Based Design zu unterstützen, haben wir die Model-Based Design Group gegründet, ein Team von Ingenieuren mit umfassender Designerfahrung. Diese Gruppe entwickelt Assets, die es Teams erleichtern, Modellierung, Simulation und Codegenerierung in Simulink als Teil eines Top-Down-IC-Design-Workflows anzuwenden. Zu den Assets gehören Modellvorlagen, Dokumentation und Tools (z. B. Tools zur Parameterextraktion) sowie ein technischer Leitfaden für Motormodelle, MEMS-Modelle und die SystemVerilog DPI-C-Generierung.

Die Gruppe tauscht außerdem Modellierungstechniken aus und führt interne Briefings und Schulungen durch, um den Teams zu helfen, sich schnell einzuarbeiten. Während sich die Gruppe zunächst auf ROHM-Teams mit Sitz in Japan konzentrierte, unterstützt sie nun die Designzentren von ROHM im Ausland bei der Bildung von Teams, die auf Model-Based Design-Projekte spezialisiert sind.

Viele ROHM-Teams haben Model-Based Design bereitwillig übernommen, einige wenige waren jedoch zurückhaltend, weil sie für ihren Bereich keine Model-Based-Design-Umgebung eingerichtet hatten. Für diese letztgenannten Teams nimmt sich die Model-Based Design Group Zeit, um die Vorteile des Ansatzes und die Vorteile aufzuzeigen, die bei den Teams, die ihn bereits verwenden, erzielt werden. Vor Kurzem haben wir Arbeitsgruppen für die Entwicklung von Sensor-ICs und Motor-ICs mit Simulink eingerichtet. Ingenieure von ROHM schließen sich diesen Gruppen an, um technische Informationen auszutauschen und mehr über Themen zu erfahren, die für viele Teams relevant sind, darunter die Modellierung von MOSFET-Treibern in Simscape, die Erstellung hochpräziser MEMS-Modelle und die Ermittlung des Frequenzgangs vorhandener Schaltkreise.

Ausweitung des Einsatzes von Model-Based Design bei ROHM

Die Anzahl der Teams, die Model-Based Design in unserer Abteilung verwenden, steigt stetig. Darüber hinaus sehen wir, dass Model-Based Design in allen Geschäftsbereichen des Unternehmens eingesetzt wird, einschließlich der Einheiten, die für die Entwicklung und Herstellung von Siliziumkarbid- (SiC) und IGBT-Produkten (Insulated-Gate Bipolar Transistor) verantwortlich sind. In letzter Zeit haben wir auch eine erhöhte Nachfrage von Automobilkunden nach Model-Based Design festgestellt. ROHM ist nun gut aufgestellt, um dieser Nachfrage gerecht zu werden.