Cadence Design Systems Co-Simulation heißt das Zauberwort

Die Integration von PSpice und MATLAB reduziert den Aufwand bei der Design-Verifikation auf Systemebene
Die Integration von PSpice und MATLAB reduziert den Aufwand bei der Design-Verifikation auf Systemebene

Die Systemkomplexität steigt, die Entwicklungszeiten sinken. Diesen gegenläufigen Trends kann durch eine rechtzeitige Fehlererkennung und -behebung im Design begegnet werden – kein Problem für eine leistungsfähige Modellierungs- und Simulationsumgebung.

Simulationstools sind für Forschung und Entwicklung eine große Hilfe. Mit ihnen lassen sich Produktentwicklungszeiten reduzieren, die Designergebnisse verbessern und Analysen vereinfachen, ohne dass kostspielige und zeitraubende Experimente oder physikalische Setups notwendig werden.

Doch mit steigender Komplexität, kürzer werdenden Designzyklen und dem steten Druck zur Kostensenkung steht die Simulation eines Designs vor neuen Herausforderungen. Ein Entwickler kann sich heute nicht mehr allein auf die Simulation und Optimierung einzelner Blöcke verlassen und darauf hoffen, dass sie, auch nachdem sie zusammengeschaltet wurden, noch entsprechend der Designspezifikationen funktionieren.

Die meisten Fehler im Systemdesign werden in der Phase der ersten Prototypen entdeckt, und zwar meist auf Schnittstellenebene. Mit einer gut integrierten, leistungsfähigen Modellierungs- und Simulationsumgebung könnten die Entwickler diese Fehler bereits auf Designebene identifizieren und korrigieren.
Konventionelle Elektronik oder elektromechanische Systeme können mathematisch oder elektrisch modelliert werden. Was das heißt, lässt sich am Beispiel eines Hybrid-Fahrzeugs (HEV: Hybrid Electrical Vehicle) verdeutlichen: Das Design eines solchen Systems erfordert die Modellierung und Simulation verschiedener nichtelektrische Baugruppen (wie Motor, Getriebe, Kraftstoffeinspritzung, Emissionsüberwachung, Bremsen) sowie einer Vielzahl elektrischer Systeme (zum Beispiel Umrichter, Wandler und Steuerlogik mit Halbleitern wie IGBTs, ADC/DAC).

Co-Simulation mit zwei unabhängigen Tools

Zurzeit bietet kein einziges Tool die Möglichkeit, beide Systeme zusammen zu modellieren und zu simulieren. Eine Co-Simulation mit unterschiedlichen Tools ist aber ein gangbarer Weg für die Modellierung verschiedener Module: MATLAB verfügt über umfassende Fähigkeiten, Automotive- und andere mechanische und thermische Module mathematisch zu modellieren und zu simulieren. PSpice ist für seine Modellierungs- und Simulations-Fähigkeiten von Elektronik und Leistungshalbleiter bekannt.

Im PSpice-Release 17.2-2016 wurde nun die vorhandene PSpice-MATLAB-Co-Simulationsschnittstelle um einen gut integrierten, bidirektionalen Co-Simulations-Flow erweitert. Entwickler sind jetzt in der Lage, die beiden Tools zusammen in verschiedenen Konfigurationen zu nutzen.

Was heißt das jetzt für das Beispiel eines HEV-Designs? In den Anfangsphasen eines HEV-Designs werden der Motor und andere mechanische Systeme entworfen und als eigenständige Blöcke in MATLAB optimiert. Alle elektrischen Systeme – in einem HEV-Design geht es dabei typischerweise um Batterie, Leistungswandler, Elektromotoren und eine Reihe von Sensoren – werden wiederum in einem Simulator wie PSpice als eigenständige Module entworfen. Die Simulation eines elektrischen Subsystems mit PSpice bietet deutliche Vorteile gegenüber der Simulation mit einem mathematischen Tool: Dank der umfangreichen Bauteilebibliotheken von PSpice sparen die Entwickler viel Zeit bei der Modellierung von Halbleiterbauteilen, und die Simulationsergebnisse korrelieren viel besser mit den Messergebnissen an späteren Prototypen. Zusätzlich können die Entwickler diese elektrischen Module für verschiedene Betriebs- und Umgebungsbedingungen optimieren, so dass diese später den physikalischen Spezifikationen entsprechen. Dieses elektrische System und die zugehörige Steuerlogik können mit PSpice effizient simuliert werden, wodurch die Größe der Entkopplungskondensatoren, der Spannungsbereich der DC/DC-Wandler, die PWM-Steuerung und die gesamte Steuerlogik optimiert werden können.

Sobald der Designzyklus abgeschlossen ist, startet für diese Subsysteme im konventionellen Design-Flow die Prototypenphase und damit auch die Verfeinerung des Designs, mit der Absicht, eine fehlerfreie Schnittstelle zu entwickeln. Durch den Einsatz des neuen Systemdesign-Flows können Entwickler den modellbasierten Ansatz auf die nächste Stufe des „virtuellen Prototypings“ heben und die Subsysteme, die von verschiedenen Teams mit unterschiedlichen Tools (MATLAB und PSpice/SPICE) entwickelt wurden, miteinander verbinden und das vollständige HEV-Design mit ­PSpice Simulink simulieren.