Simulation von Signal- und Leistungsintegrität
Integration von Simulation in EDA-Workflows (Electronics Design Automation)
Signal- und Leistungsintegrität in digitalen Systemen
Die hohen Datenraten und die Miniaturisierung von Hochgeschwindigkeitselektronik erfordern eine hohe Signal- und Leistungsintegrität (SI/PI) mit einem geringen Risiko von Störungen oder Rauschen. Mit steigender Datenrate steigt die Signalfrequenz und Signale breiten sich eher wie eine hochfrequente elektromagnetische Welle als ein klassischer Stromkreisstrom aus, was zu Problemen bei der Signalintegrität führt. Das Verständnis des Verhaltens von Hochgeschwindigkeitselektronik geht über die Schaltkreissimulation hinaus: Es erfordert einen 3D-Ansatz mit Vollwelle, der diese elektromagnetischen Felder vollständig modellieren kann, um die Konstruktion von Hochleistungsleiterplatten zu analysieren.
Verwenden eines virtuellen Zwillings für virtuelle SI/PI-Tests
Mit dem „virtuellen Zwilling“-Ansatz können physische Tests in der Simulationsumgebung repliziert werden, sodass Ingenieure für Signal- und Leistungsintegrität ihre Konstruktionen gleich beim ersten Mal richtig erstellen können. Ein virtueller Zwilling ist ein hochauflösendes Modell des Systems, das alle relevanten Daten in einem Paket enthält. Gängige SI/PI-Tests wie Spannungsabfall-, Augendiagramm sowie Badewannendiagramme können virtuell repliziert werden, ebenso wie Testkonfigurationen für elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) wie Emissionsmessungen und Stromeinspeisung (BCI).
Vertrauenswürdige virtuelle Zwillinge erfordern genaue Modelle. SIMULIA bietet Zugriff auf Materialdatenbanken mit den Eigenschaften von echten proprietären Substraten und die Möglichkeit, benutzerdefinierte Materialien aus gemessenen Daten mithilfe verschiedener Materialeigenschaftsmodelle, wie z. B. frequenzabhängige Materialien, zu erstellen.
Analyse der Signalintegrität, der Leistungsintegrität und der EMV
Die elektromagnetischen Simulationstools in der CST Studio Suite können mithilfe vieler branchenüblicher ECAD- und MCAD-Tools in EDA-Workflows integriert werden. So können Elektronikentwickler Probleme mit der Signal- und Leistungsintegrität sowie EMV-Probleme in allen Phasen des Konstruktionszyklus analysieren: Prä-Layout, Layout und Post-Layout.
Signalintegrität in Leiterplatten, ICs, Kabeln
Spezielle Werkzeuge bieten professionellen Ingenieuren Regelprüfungen und Solver, die zur Analyse von integrierten IC-Gehäusen (integrierte Schaltungen), Leiterplatten und Kabeln benötigt werden. 3D-Universal-Solver können die gesamte Platine und das Gerät als Ganzes simulieren. Die Breitband-Makromodellierung-Technologie von IdEM ermöglicht die Extraktion des SPICE-Modells aus der 3D-Simulation elektromagnetischer Felder. Die Simulation der konjugierten Wärmeübertragung (CHT) kann an die elektromagnetische Simulation gekoppelt werden, um die thermische Leistung der Elektronik zu analysieren und Kühlsysteme zu konstruieren.
Elektromagnetische Simulation in EDA
- Signalintegritätsanalyse
- Leistungsintegritätsanalyse
- Breitband-Makromodellierung
Signalintegritätsanalyse
Bei der Signalintegrität (SI) geht es darum, die Qualität der über einen Kanal übertragenen Daten zu erhalten, sodass das digitale Muster von Einsen und Nullen vom analogen Signal zuverlässig wiederhergestellt werden kann. Das wichtigste Maß dafür ist das Augendiagramm – die Form, die auf einem Oszilloskop durch viele zufällige Bits gebildet wird. Zu den kritischen Effekten gehören Jitter, Verlust und Rauschen von Quellen wie Übersprechen (Interferenz zwischen Kanälen) und Intersymbol-Interferenz (Interferenz zwischen aufeinander folgenden Bits).
Leistungsintegritätsanalyse
Bei der Leistungsintegrität (PI) geht es um die Analyse der Leistung des Stromverteilungsnetzes. Sie trägt dazu bei, dass die an einer Komponente empfangene Spannung innerhalb der Toleranzen liegt und keine Störungen verursacht. Spannungsabfall – die Verringerung der Spannung in der PCB-Leistungsebene aufgrund von Verlusten – ist ein häufiges PI-Problem. Leistungselektronik verursacht Schaltrauschen – Hochfrequenzschwankungen in der Spannung, die Störungen und SI-Probleme verursachen können. Die Platzierung von Entkopplungskondensatoren (Decaps) kann Rauschen reduzieren und dessen Übertragung verhindern.
Die 3D-Vollwellensimulation erfasst das gesamte Verhalten eines Geräts und seiner Elektronik ohne analytische Näherungen. Sie umfasst Kabel, Leiterplatten mit differenziellen Paaren oder verlustbehafteten Leitungen sowie Chipgehäuse. Sie zeigt potenzielle Probleme auf, die 2D und Schaltkreissimulation übersehen können, lange bevor Sie sich für die Fertigung eines physischen Prototyps entscheiden. Probleme mit der Signalintegrität können frühzeitig erkannt und die Ursachen von Problemen mithilfe der 3D-Visualisierung ermittelt und gemindert werden.
Breitband-Makromodellierung
Für eine genaue Simulation der Signalintegrität/Leistungsintegrität (SI/PI) eines kompletten elektronischen Systems müssen wir alle Auswirkungen der Signal- und Leistungsminderung berücksichtigen. Dazu gehören parasitäre Verbindungseffekte, Kopplungsinterferenzen von benachbarten Verbindungen, Reflexionen aufgrund von Diskontinuitäten, dispersive und nicht ideale Materialeigenschaften.
Signal- und Leistungsintegrität in Digitalsystemen
Die Breitband-Makromodellierung ist ein sehr effizienter Ansatz für die Modellierung komplexer elektronischer Systeme. In der Makromodellierung wird das Ergebnis einer 3D-Feldsimulation einer einzelnen Komponente in ein äquivalentes Modell übersetzt. Wir können dieses Modell als „Block“ in gängigen Schaltkreissimulatoren (z. B. SPICE) verwenden, um eine detaillierte EMV- und SI/PI-Analyse auf Systemebene einschließlich Signalverschlechterung durchzuführen.
Die Breitband-Makromodellierung kann mit den SIMULIA Tools CST Studio Suite und IdEM durchgeführt werden. Basierend auf Streuungsparametern (S-Parameter) aus einer Vollwellensimulation in CST Studio Suite extrahiert IdEM ein genaues Makromodell. Für jede realistische numerische Simulation kann IdEM sicherstellen, dass das extrahierte SPICE-Modell sowohl passiv (Signale werden nicht verstärkt und die Gesamtleistung wird nicht gesteigert) als auch kausal ist, was bedeutet, dass das Ausgangssignal nie vor dem Eingang liegt.
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