具體來說，這種設(shè)計(jì)方法減少了集成電路 (IC) 設(shè)計(jì)和開發(fā)的設(shè)計(jì)迭代次數(shù)，并且廣泛適用于所有電力電子設(shè)計(jì)。我詳細(xì)介紹了我在快速上市 IC 開發(fā)方面的經(jīng)驗(yàn)，并將該方法與其他旨在縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間的技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比。

產(chǎn)品開發(fā)流程

圖 1：產(chǎn)品開發(fā)流程

圖 1 說明了產(chǎn)品開發(fā)過程的步驟。開發(fā)從新產(chǎn)品要求作為設(shè)計(jì)階段的輸入開始。制造從設(shè)計(jì)開始構(gòu)建產(chǎn)品，然后驗(yàn)證產(chǎn)品是否符合要求。如果在驗(yàn)證步驟中產(chǎn)品不符合要求，則必須重新審視設(shè)計(jì)（紅色箭頭）。設(shè)計(jì)、制造和驗(yàn)證的步驟（通常稱為開發(fā)周期）重復(fù)進(jìn)行，直到產(chǎn)品成功滿足發(fā)布生產(chǎn)的要求。

加快新產(chǎn)品開發(fā)速度的需求日益增加。市場(chǎng)和競(jìng)爭(zhēng)迫使公司縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。開發(fā)組織仔細(xì)審查每個(gè)開發(fā)步驟（設(shè)計(jì)、制造和驗(yàn)證），以加快產(chǎn)品發(fā)布，這可能會(huì)導(dǎo)致走捷徑。我們?cè)S多人都目睹過這樣的情況，這些捷徑導(dǎo)致產(chǎn)品無法通過一項(xiàng)或多項(xiàng)驗(yàn)證測(cè)試。當(dāng)然，由于需要付出努力來糾正問題、重新制造產(chǎn)品并重復(fù)驗(yàn)證，開發(fā)時(shí)間會(huì)增加。

加快新產(chǎn)品開發(fā)的一種方法是減少開發(fā)周期迭代次數(shù)。與其關(guān)注每個(gè)開發(fā)步驟（設(shè)計(jì)、制造和驗(yàn)證），不如考慮如何通過次設(shè)計(jì)工作來驗(yàn)證產(chǎn)品。我認(rèn)為，更好地理解設(shè)計(jì)可以減少迭代次數(shù)。模擬設(shè)計(jì)可以增加工程師的知識(shí)，并更好地理解產(chǎn)品。

我曾親眼目睹過一些公司積極阻止任何增加設(shè)計(jì)時(shí)間的活動(dòng)。在“快速失敗”的口號(hào)下，他們寧愿快速制造產(chǎn)品，通過測(cè)試物理硬件發(fā)現(xiàn)問題，糾正設(shè)計(jì)并重新制造產(chǎn)品。通過這種方法，負(fù)責(zé)的工程師可以發(fā)現(xiàn)并解決問題，并了解更多有關(guān)設(shè)計(jì)的信息。然而，當(dāng)開發(fā)進(jìn)入硬件階段時(shí)，解決任何問題都會(huì)受到許多限制。與在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)和緩解問題相比，在開發(fā)階段更改外形尺寸或添加組件的成本更高。模擬設(shè)計(jì)以發(fā)現(xiàn)問題可以在設(shè)計(jì)階段以更低的成本解決問題，并限度地減少開發(fā)周期迭代。

有些人認(rèn)為，用模擬任務(wù)來增加設(shè)計(jì)時(shí)間是違反直覺的。畢竟，模擬可能令人望而生畏。一些模擬工具的學(xué)習(xí)曲線很陡峭，需要工程師花費(fèi)精力去理解工具的操作和程序。不成功的模擬可能會(huì)神秘的錯(cuò)誤消息，或者根本無法完成。工程師理所當(dāng)然地更愿意把精力花在他們被分配的項(xiàng)目上，而不是模擬工具上。除了學(xué)習(xí)模擬包之外，成功的模擬還需要工程師在模型上花費(fèi)精力。構(gòu)建模型可能令人望而生畏。然而，模型構(gòu)建直接增加了工程師對(duì)設(shè)計(jì)的理解。我認(rèn)為這是一項(xiàng)值得的投資。在本文后面，我將描述我的模型開發(fā)過程。

快速失敗需要太長(zhǎng)時(shí)間

設(shè)計(jì)階段的仿真雖然會(huì)延長(zhǎng)設(shè)計(jì)時(shí)間，但可以縮短端到端的開發(fā)時(shí)間。圖 2 以時(shí)間線的形式展示了兩種方法的設(shè)計(jì)周期?？焖偈》椒ㄍㄟ^化設(shè)計(jì)時(shí)間快速制造產(chǎn)品，并在驗(yàn)證測(cè)試期間識(shí)別問題。相比之下，仿真方法的設(shè)計(jì)間隔更長(zhǎng)。

產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間表

圖 2：產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間表

考慮制造和驗(yàn)證產(chǎn)品所需的時(shí)間。如果我們確信（通過模擬）產(chǎn)品將次通過驗(yàn)證，那么我們就可以避免重復(fù)制造和驗(yàn)證階段的時(shí)間。總的端到端開發(fā)時(shí)間比具有多個(gè)設(shè)計(jì)迭代的方法要短。在開發(fā)時(shí)間方面，模擬的合理性是一個(gè)簡(jiǎn)單的不等式。少于制造和驗(yàn)證工作的模擬工作量將縮短開發(fā)時(shí)間。前提是更好地理解產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以減少開發(fā)周期迭代次數(shù)。

T模擬< T制造 + T驗(yàn)證

仿真減少開發(fā)周期迭代

根據(jù)我的經(jīng)驗(yàn)，包含模擬任務(wù)的設(shè)計(jì)方法確實(shí)可以減少設(shè)計(jì)迭代次數(shù)。為英特爾 CPU 供電的 IC 和解決方案的開發(fā)就是一個(gè)很好的例子。作為背景，英特爾會(huì)向多家 IC 供應(yīng)商發(fā)布其下一代 CPU 的電源要求規(guī)范和發(fā)布時(shí)間表。這實(shí)際上是一場(chǎng) IC 供應(yīng)商之間的競(jìng)賽。

首次通過開發(fā)過程

圖 3：遍開發(fā)流程

個(gè)向客戶提供 IC 和電源解決方案樣品的供應(yīng)商將有可能贏得業(yè)務(wù)。我在為一家 IC 供應(yīng)商工作期間使用過仿真來設(shè)計(jì)電源解決方案并定義控制 IC。我很自豪市場(chǎng)回報(bào)了我們，讓我們?cè)诙啻⑻貭?CPU 中占據(jù)了多數(shù)份額。在幾代產(chǎn)品的過程中，我們能夠在輪就提供 IC 和電源解決方案樣品。這一成功有多種因素，包括一支的團(tuán)隊(duì)，但使用仿真限制設(shè)計(jì)迭代次數(shù)并快速提供解決方案樣品是關(guān)鍵。

初始模擬使用理想模型

圖 4：初始模擬采用理想模型

讓我將這種包括模擬任務(wù)的設(shè)計(jì)神話與快速失敗方法進(jìn)行對(duì)比?？焖偈》椒ǖ亩x意味著總開發(fā)時(shí)間至少需要兩次制造和兩次驗(yàn)證間隔。IC 制造時(shí)間需要數(shù)周，通常需要 8 到 10 周來處理初始晶圓、切割成芯片并將 IC 封裝在芯片載體中。作為參考設(shè)計(jì)的電源解決方案的制造與 IC 制造同時(shí)進(jìn)行，需要數(shù)周（取決于復(fù)雜程度）來制造印刷電路板 (PCB) 并填充所有組件。

初始設(shè)計(jì)的驗(yàn)證也需要數(shù)周時(shí)間，具體取決于復(fù)雜性和所需的合規(guī)性測(cè)試。顯然，花費(fèi)額外幾周的時(shí)間對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行建模和仿真，以減少設(shè)計(jì)迭代次數(shù)，可以縮短開發(fā)時(shí)間。驗(yàn)證失敗會(huì)使端到端開發(fā)時(shí)間延長(zhǎng) 2 周以上：糾正問題，重新制造 IC 并重復(fù)重新驗(yàn)證測(cè)試。

另一個(gè)首次成功的例子也使用了模擬方法。該公司的目標(biāo)是降低 LED 燈泡的成本，而我的方法是開發(fā)一種新的控制 IC，并對(duì)電源驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行一些小的修改?？s短開發(fā)時(shí)間對(duì)于提高公司利潤(rùn)率至關(guān)重要。我的職責(zé)是定義 IC，并與 IC 供應(yīng)商合作進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)。該項(xiàng)目的挑戰(zhàn)包括新的 IC 架構(gòu)和遠(yuǎn)程 IC 供應(yīng)商。模擬工作幫助克服了這些挑戰(zhàn)，并在首次通過時(shí)就產(chǎn)生了功能 IC，使我們能夠開始驗(yàn)證。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在初始 IC 的一個(gè)引腳上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)小的 ESD 問題，但這個(gè)問題很快就得到了糾正，使我們能夠滿足初的時(shí)間表。次成功有很多因素，但模擬模型是關(guān)鍵因素之一。

模擬模板

圖 3 詳細(xì)說明了產(chǎn)品開發(fā)過程中的仿真任務(wù)。成功的仿真策略會(huì)構(gòu)建相關(guān)參數(shù)的模型。明確定義您的建模目標(biāo)，以避免不必要的復(fù)雜性。從一個(gè)簡(jiǎn)單的初始模型開始，然后運(yùn)行快速仿真。如果結(jié)果符合您的預(yù)期，請(qǐng)繼續(xù)逐步構(gòu)建模型。仿真允許您快速發(fā)現(xiàn)和緩解任何問題，而不受硬件的限制。

我很難將設(shè)計(jì)和仿真活動(dòng)分開。設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算與將組件放置到仿真工具的原理圖中是同時(shí)進(jìn)行的。下面我以 LED 燈泡開發(fā)為例描述建模和仿真步驟。這些步驟包括初始模型、定義模型和開發(fā)模型。

初始模擬使用簡(jiǎn)單且理想化的模型。例如，電壓控制開關(guān)代表主開關(guān) MOSFET（圖 4a），帶電容器的電壓控制電流源代表誤差放大器（圖 4b）。保持初始模型簡(jiǎn)單可加快模擬速度，并且更容易排除故障。我使用此初始模型來開發(fā)控制算法。對(duì)于新的控制算法，從簡(jiǎn)單的模擬行為模型開始，并隨著模型的發(fā)展添加數(shù)字元素。成功驗(yàn)證后，其他參數(shù)將添加或替換初始模型的理想功能。

定義模型開發(fā)確定了要集成的功能，并添加了帶寬、偏移時(shí)間延遲和共模信號(hào)限制。我使用參數(shù)仿真來幫助確定 IC 規(guī)范中的限制。定義模型的進(jìn)一步參數(shù)變化記錄了外部元件公差和變化對(duì)系統(tǒng)要求的影響。

我與 IC 設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)分享了包括啟動(dòng)和瞬態(tài)干擾在內(nèi)的模擬結(jié)果。模擬模型和結(jié)果補(bǔ)充了 IC 規(guī)范。與規(guī)范中顯示的靜態(tài)限制相比，模擬為操作范圍內(nèi)的預(yù)期系統(tǒng)性能提供了極好的溝通媒介。

該模型在 IC 開發(fā)過程中不斷發(fā)展。仿真結(jié)果有助于與供應(yīng)商的 IC 設(shè)計(jì)師溝通一些設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。IC 開發(fā)模型支持通常涉及 IC 功能重用的權(quán)衡和設(shè)計(jì)決策。隨著設(shè)計(jì)的演變，IC 開發(fā)模型會(huì)根據(jù)終設(shè)計(jì)所選功能的參數(shù)和特性進(jìn)行修改。

我選擇的仿真工具是 SIMPLIS，其功能在參考文獻(xiàn)中有記錄。我喜歡 SIMPLIS，因?yàn)樗子谑褂?，專為電力電子而設(shè)計(jì)，并且沒有收斂問題。SIMPLIS 幫助我專注于產(chǎn)品設(shè)計(jì)。它直觀易用，只需很少的學(xué)習(xí)即可上手，并且還支持功能，可滿足更復(fù)雜的建模需求。在 LED 燈泡開發(fā)過程中，我通過在LED 驅(qū)動(dòng)器定義模型的交流源中串聯(lián)一個(gè)TRIAC 調(diào)光器模型來評(píng)估相位調(diào)光。我還通過在定義模型前面添加一個(gè) LISN 模型來評(píng)估傳導(dǎo) EMI，并獲得了良好的結(jié)果。這兩個(gè)仿真都需要在略低于 100 kHz 的頻率下切換，同時(shí)運(yùn)行模型超過 500 毫秒，SIMPLIS 在不到 3 分鐘的時(shí)間內(nèi)完成了每個(gè)任務(wù)。

我還發(fā)現(xiàn)仿真模型對(duì)于難以僅用硬件解決的問題很有幫助。有些節(jié)點(diǎn)很難在硬件中監(jiān)控，這會(huì)使故障排除變得復(fù)雜。通過仿真，您可以輕松探測(cè)這些節(jié)點(diǎn)，同時(shí)與硬件上容易觀察到的信號(hào)進(jìn)行比較。此外，仿真可以幫助您評(píng)估組件的公差和參數(shù)偏移，這有助于提高大批量設(shè)計(jì)的制造良率（您可能擁有來自整個(gè)分布曲線的組件）。

不可否認(rèn)，開發(fā)有效的模型需要時(shí)間和精力，但您可以在未來的設(shè)計(jì)中重復(fù)使用經(jīng)過驗(yàn)證的模型。始終權(quán)衡模擬工作量與簡(jiǎn)單測(cè)試硬件。例如，上面提到的 TRIAC 調(diào)光器的模型僅適用于單個(gè)調(diào)光器。為市場(chǎng)上提供的每個(gè)調(diào)光器開發(fā)和驗(yàn)證模型將是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。相反，我們選擇使用具有代表性的調(diào)光器樣本來驗(yàn)證 LED 燈泡硬件。我使用單個(gè) TRIAC 調(diào)光器模型來驗(yàn)證 IC 中包含的調(diào)光算法。

我有幸成為一些出色的開發(fā)團(tuán)隊(duì)的一員，這些團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)上就取得了成功。所有首次成功所采用的設(shè)計(jì)方法都得益于通過模擬獲得的知識(shí)。我鼓勵(lì)所有工程師對(duì)他們的設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬。

未來幾年，產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間必定會(huì)越來越短。如果我們認(rèn)識(shí)到產(chǎn)品的成功驗(yàn)證是工程師對(duì)設(shè)計(jì)的了解的結(jié)果，那么產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)就應(yīng)該在設(shè)計(jì)間隔內(nèi)投入精力，目標(biāo)是次就驗(yàn)證產(chǎn)品。我的經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行建模和模擬是獲取知識(shí)以實(shí)現(xiàn)成功的方法。