電路板layout設計之后為什么要做仿真

time : 2020-03-02 09:34       作者:凡億pcb

電路板級仿真對于今天大多數的layout設計而言已不再是一種選擇而是必然之路。EDA工業是全球電子工業快速發展的關鍵促進因素,其市場規模高達1萬億美元,大部分銷售額由幾個大公司壟斷(用EDA市場的標準來衡量),售出的工具主要集中在前沿的仿真和集成電路芯片(ASIC、 SOC等等)設計。
然而,大部分電子layout設計工程師只設計印刷電路板,而不設計集成電路。用于PCBlayout設計的EDA工具軟件的銷售量只占整個EDA銷售額的很小一部分。造成這種反差的原因是許多電路板設計工程師不接受仿真工具,盡管IC工程師將仿真視為設計過程的一個基本步驟。本文分析了造成這種差異的原因,并介紹了EDA工具發展迅速的原因及工程師應該予以關注的領域。
逃避電路板設計仿真的原因
電路板layout設計中沒有普及仿真的原因主要有三個:使用復雜、缺乏仿真模型和成本太高。首先,到目前為止,PCB仿真軟件的使用仍然相當復雜,因而在電路板設計工程師中形成了“仿真過于復雜”的觀念。其次,許多電路的仿真模型無法找到,因此要仿真完整的電路幾乎沒有可能。例如,如果PCB上有200個元件,其中193個元件可以仿真,而剩下的7個關鍵元件卻無法仿真,那么仿:真還有什么意義呢?更重要一點,仿真軟件的價格通常很昂貴。
印刷電路板設計回顧
過去,PCB性能要采用一系列儀器測試電路板原型(通常接近成品)來評定。電路的復雜性增加之后,多層板和高密度電路板出現了,人們開始用自動布線工具來處理日益復雜的元器件之間的互聯。此后,電路的工作速度不斷提高,功能不斷翻新,元器件之間連線的物理尺寸和電路板的電特性日益受到關注。
半導體技術的發展對PCB設計的影響很大。數字器件復雜度越來越高,門電路的規模達到成千上萬甚至上百萬,現在一個芯片可以完成過去整個電路板的功能,從而使相同的PCB上可以容納更多的功能?删幊绦酒殉蔀樵S多電路板設計必不可少的器件。到90年代末,PCB已不僅僅是支撐電子元器件的平臺,而變成了一個高性能的系統結構,它的體積更小、速度更快、性能更好、成本更低。
電路板級仿真的發展動力
從根本上講,市場是電路板級仿真的強勁動力。在激烈競爭的電子行業,快速地將產品投入市場至關重要,傳統的PCB設計方法要先設計原理圖,然后放置元器件和走線,最后采用一系列原型機反復驗證/測試。修改設計意味著時間上的延遲,這種延遲在產品快速面市的壓力下是不能接受的。
至今為止,電路板設計工程師選擇的工具還僅僅局限在電路圖設計、PCB布線和自動布線工具。當仿真模型完整,設計工程師愿意利用仿真工具時,工程師偶然也會采用仿真軟件進行設計,但通常只局限在一部分電路。
“第一時間推出產品”的設計目標不只是一句廣告詞,事實上,這是生死攸關的競爭需要。在產品設計初期識別、預防和改正設計錯誤,可以防止電路板出錯,這種操作模式比以往任何時候都至關重要,PCB仿真就是最好的方法之一。
layout設計
EDA供應商的反應
EDA供應商根據PCB設計的發展和電路板設計工程師的需要,采取重大步驟消除妨礙PCB仿真軟件應用的障礙,從而使設計工具操作更方便、模型更完備、成本更低。EDA供應商正采取的措施如下:
1.      原理圖建立和仿真軟件的融合。PCB工程師掌握原理圖設計軟件及其使用。從技術上看,要求軟件必須能自動地生成網表,現在的軟件能夠使PCB設計工程師創建電路圖并且自動輸出仿真結果。也許有人會問,還可以再簡化一些嗎?畫圖的過程是不能省略的,為什么不采用同時能自動繪出仿真電路的電路圖設計工具呢?因此,通過電路圖設計工具和仿真工具的融合,使工程師不必考慮低級編碼過程,從而避免為學習SPICE仿真工具付出過長的時間。
2.      為了提高操作的簡便性,向PCB仿真程序加入新的功能一直是大多數EDA供應商努力的目標。其實現方法是在熟悉的虛擬儀器上顯示仿真結果,將元器件按零件代碼文件來組織并進行“無模型”操作,此時不需要了解器件的放置和連線模式,因為智能化的工具明白你的設計意圖。例如,Electronics Workbench仿真工具Multisim的功能包括示波器、頻譜分析儀、信號發生器和邏輯分析儀等設備,其外觀及特征與真實的電子測量儀器沒有區別。這些功能有可能改變歷來抵制仿真軟件的工程師的觀念。
3.      仿真模型的來源增加了。除了 EDA工具本身具備器件庫(優秀的仿真軟件供應商提供其擁有的大部分或全部器件模型)之外,器件制造商的網站是設計模型的巨大來源,同時大量新興的網絡“元件信息公司”也能為電路設計提供更多的仿真模型。從網上器件數據庫,layout設計工程師可以從眾多的廠商那里下載數以百萬的元器件模型并進行選擇。將EDA公司的工具和元件信息公司提供的模型相結合,可以滿足電子設計工程師的即時信息需求。當你選擇設計工具時,要注意評估軟件是否具備這些功能,有些軟件甚至具備因特網設計共享的能力。
4.      混合信號設計的普遍性增強。象SPICE這樣的通用仿真技術適用于模擬電路和某些數字電路,這包括中規模集成電路(MSI)和大規模集成電路(LSI),但是,要用SPICE在晶體管和門級對相當復雜的數字芯片(微處理器、存儲器、FPGA、CPLD等等)建模是不可能的,這些芯片的仿真模型通常要用硬件描述語言如VHDL或Verilog來編寫,這些編程語言能完美地描述復雜器件的功能,相對于描述實際晶體管的行為來說,復雜性大為降低。事實上,許多可編程芯片都用VHDL 或Verilog語言進行功能設計,其編碼可用于功能仿真。
目前,所有仿真技術已經可以集成在一起實現協同仿真,在單一集成環境下,設計工程師可以獲得總的仿真結果。不同仿真引擎的接口和通信(SPICE、VHDL、Verilog、C代碼等)對工程師是不透明的,他們只需關心過去用傳統仿真軟件無法仿真的芯片模型。
現在,采用基于SPICE、VHDL、Verilog 或C代碼描述的模擬和數字器件協同模型,電路板上所有器件的仿真都可以實現。有史以來工程師第一次能夠同時仿真電路板上所有的元器件,仿真過程與真實的測試過程相同。協同仿真為包含FPGA和CPLD的電路板提供了一種理想的測試工具
5、 真軟件的成本高昂妨礙電路板設計工程師對工具的使用,但是目前性能卓越的PCB和PLD仿真軟件價格已經低于5千美元。軟件工具的變革,使PC硬件的數量按指數規律增加,但價格反而越來越低。軟硬件成本的降低實際上已經消除了PCB仿真的瓶徑。
總結
PCB設計軟件的發展縮短了設計周期和電子產品推向市場的時間,現在許多電路板設計工程師已經不再抵制采用仿真工具,他們認為仿真與建立原理圖及布線一樣至關重要。競爭迫使EDA供應商不得不提供操作更簡便、功能更多、成本更低的軟件。
PCB設計領域下一個技術飛躍很可能是協同仿真軟件的應用,協同仿真軟件使得基于HDL模型的數字器件可以和模擬元件以及基于SPICE模型的小規模數字芯片同時仿真,這些器件都是同一塊PCB上的部件。網上EDA元件信息的增多有助于從網絡上及時下載包括仿真模型在內的元件數據,這是加速PCB仿真發展的重要條件。 
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