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たいちこやぎ
4 years ago
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1 MATLAB /Simulink を活用した電源システム設計フロー紹介 MathWorks Japan アプリケーションエンジニアリング部初井良治 2013 The MathWorks, Inc. 1

2 内容 MATLAB /Simulink アナログミックスドシグナルシステム設計フロー適用事例 ( アナログミックスドシグナル ) システム設計フロー MATLAB /Simulink の利点 MATLAB /Simulink システム設計フローシステム設計ワークフロー ( 電源設計を中心とした適用例 ) システム設計 ( モデリング ) システム設計 ( 制御設計 ) 回路設計検証 ( アナログ ) 回路設計検証 ( デジタル ) 2

3 内容 MATLAB /Simulink アナログミックスドシグナルシステム設計フロー適用事例 ( アナログミックスドシグナル ) システム設計フロー MATLAB /Simulink の利点 MATLAB /Simulink システム設計フローシステム設計ワークフロー ( 電源設計を中心とした適用例 ) システム設計 ( モデリング ) システム設計 ( 制御設計 ) 回路設計検証 ( アナログ ) 回路設計検証 ( デジタル ) 3

4 事例紹介 : 慶應義塾大学非接触給電用ミックスドシグナルシステムのトップダウン設計 MathWorks AMS Seminar, 22 June,

製品を使用したシステムチームと回路チームへの統合開発環境の提供結果シミュレーション時間短縮アルゴリズム欠陥の迅速な特定

5 事例紹介 :IDT-Newave 数ヶ月単位での半導体設計期間短縮チャレンジシステム設計者と回路設計者の共同作業を確実にすることによる半導体設計プロセスの改善シミュレーション MathWorks 製品を使用したシステムチームと回路チームへの統合開発環境の提供結果シミュレーション時間短縮アルゴリズム欠陥の迅速な特定次回製品リリース時のモデル再利用音声帯域 CODEC チップ MathWorks 製品を使用して開発プロセスで 3 倍の効率を達成しました Liu Xin IDT-Newave Link to user story 5

事例紹介 : エプソントヨコムミックスドシグナル集積回路を 2 か月で設計検証課題新しい 16 ビット AD コンバータを含むミックスドシグナル

のモデルベースデザインツールを採用結果シミュレーション時間を数日から数分に短縮開発期間を 33% 短縮大幅な設計コスト削減 ΣADC の

分と非常に時間のかかっていたシステムシミュレーションに MATLAB および Simulink のシステムモデルを採用することにより 1

6 事例紹介 : エプソントヨコムミックスドシグナル集積回路を 2 か月で設計検証課題新しい 16 ビット AD コンバータを含むミックスドシグナル IC を 2 ヶ月で開発することソリューションシステムレベル設計をモデリングシミュレーション検証するために MathWorks のモデルベースデザインツールを採用結果シミュレーション時間を数日から数分に短縮開発期間を 33% 短縮大幅な設計コスト削減 ΣADC の Simulink モデルとパワースペクトル密度のプロット従来回路レベルで 3 日 Verilog-A で 20 分と非常に時間のかかっていたシステムシミュレーションに MATLAB および Simulink のシステムモデルを採用することにより 1 分に短縮することができましたこれにより短時間にかつシステマティックに各設計パラメータを決定しシステム仕様を決定することができました上原純様エプソントヨコム株式会社 Link to user story 6

7 MATLAB/Simulink が STARC 認定ツールへプレスリリース 2013 年 4 月 9 日 STARC が MATLAB および Simulink を新 STARCAD-AMS 設計フローにおける推奨設計ツールとして認定モデルベースデザインワークフローおよびツールがミックスドシグナル半導体のシステムレベル設計と検証の効率化に有効と認められるリンク先ニュースリリースからの抜粋 : TAT(Turn Around Time) の半減 ( およそ 50%) を可能にし従来手法でのボトルネックとなっていた問題を大幅に改善することが確認されました 7

8 従来のアナログミックスドシグナル設計フロー各設計プロセスが分断仕様アナログとデジタルの機能配分の最適化が難しいシステム設計デジタル手書き HDL コード RTL 設計システム設計から回路設計へは大きなギャップが存在回路設計アナログ HDL シミュレータミックスドシグナル検証 Cadence Virtuoso AMS Designer (AMSD) テープアウト設計プロセス間に大きな壁 8

9 アナログミックスドシグナルシステム設計フロー MATLAB/Simulink フロー仕様アナログ / デジタル特性を高精度に最適化 MATLAB/Simulink HDL Coder HDL シミュレータデジタル RTL 設計システム設計システム設計から回路設計の ( アナログデジタル ) ギャップ解消回路設計 HDL Verifier アナログミックスドシグナル検証テープアウト Cadence Virtuoso AMS Designer (AMSD) 設計プロセス間の壁を解消 9

10 MATLAB/Simulink のシステム設計上の利点概要シミュレーションプラットフォーム豊富な解析 / 可視化関数連続離散ドメインに対応可変ソルバによる高速処理各種オプションライブラリディジタル系ライブラリアナログ系ライブラリ豊富なオプションでモデルを迅速に具現化 MATLAB/ Simulink/ Stateflow Control System Toolbox/ Signal Processing Toolbox/ DSP System Toolbox/ SimPowerSystems/ SimElectronics/ EDA ツールとのリンク HDL および回路シミュレータとの連携固定小数点化および自動コード生成包括的なトップダウンフローを実現 Fixed Point Designer/ HDL Coder/ MATLAB Coder/ HDL Verifier/ 10

11 MATLAB/Simulink のシステム設計上の利点モデリング回路ビヘイビアモデルでのモデリング理想スイッチ +RLC でのモデリングトランジスターレベルでのモデリングにも対応伝達関数でのモデリング S 領域での伝達関数表記 Z 領域での伝達関数表記 (s からの変換 ) 周波数特性データ ( 測定データ回路シミュレータ結果 ) からの伝達関数の導出物理モデリング制御対象プラントのモデリング ( モータ等 ) 11

12 アナログミックスドシグナル設計フローシステム設計仕様 MATLAB/Simulink Simulink の豊富なモデルを用いて伝達関数から RLC 等回路素子まで各種抽象度でモデリングを可能にしますシステム設計 12bit DAC 逐次比較型 ADC(RLC 素子モデル ) 数値計算モデルから回路モデルまでアナログデジタルをモデリング 13

13 アナログミックスドシグナル設計フローアナログ回路設計への適用 :HDL Verifier システム設計 MATLAB/Simulink C code HDL Verifier アナログ Simulinkシステム設計モデルを回路シミュレータ上でビヘイビアモデルとしてシステム等価検証で活用 Cadence ADE/AMSD 回路設計システム設計から回路設計へのシームレスなフロー 14

14 アナログミックスドシグナル設計フローデジタル設計への適用 : HDL Coder/HDL Verifier HDL Coder システム設計 Simulink 上でデジタル部を HDL 生成可能なブロックにより詳細設計システム設計から詳細回路設計デジタル RTL 設計アナログ回路設計システム設計 =RTL 設計 AMS シミュレータ上でアナログデジタル協調検証 15

15 内容 MATLAB /Simulink アナログミックスドシグナルシステム設計フロー適用事例 ( アナログミックスドシグナル ) システム設計フロー MATLAB /Simulink の利点 MATLAB /Simulink システム設計フローシステム設計ワークフロー ( 電源設計を中心とした適用例 ) システム設計 ( モデリング ) システム設計 ( 制御設計 ) 回路設計検証 ( アナログ ) 回路設計検証 ( デジタル ) 16

16 MATLAB/Simulink システム設計デモ降圧コンバータ DCDC コンバータ回路 12V 1.5V DC 出力電圧 ( 降圧コンバータ ) モデリング制御設計回路設計への適用アナログ回路 PWM LC 回路パルス Duty 比補償器補償器 17

17 物理モデリングツール SimPowerSystems TM パワエレ電力系統 Simscape TM 物理モデリング基本環境 SimMechanics TM メカ (3D) SimDriveline TM 車両駆動 (1D) SimHydraulics 油圧 (1D) SimElectronics 電子回路 ( デジアナ ) 18

18 半導体素子の詳細度の違い理想スイッチ +RL 要素ゲート信号 g=1 ON, g=0 OFF スイッチング損失を考慮しない熱を考慮しない SimPowerSystems TM SimElectronics 非線形なI-V 特性ゲート駆動回路スイッチング損失を考慮熱を考慮 Simscape TM MATLAB, Simulink 19

19 半導体素子 SimElectronics ダイオード NPN 型 BJT N チャネル型 JFET N チャネル型 MOSFET N チャネル型 IGBT フォトカプラ PNP 型 BJT P チャネル型 JFET P チャネル型 MOSFET サイリスタ 20

20 デモ 1: 降圧コンバータモデリング : デモ概要伝達関数の様なモデルから RLC 素子まで様々な抽象度でシステム設計のモデリングが可能豊富なモデルを利用したデジタルアナログ部でのシステムモデリングが可能 PWM モデル降圧回路 21

21 デモ 1: 降圧コンバータモデリング ( 伝達関数 ) 抽象度の高い伝達関数レベルでのモデリングで高速シミュレーション時間周波数応答を容易に観測 22

22 デモ 1: 降圧コンバータモデリング : 詳細回路 MOSFET RLC 回路 (SimElectronics) トランジスターレベルでの詳細回路のモデリングにも対応 23

23 デモ 1: 降圧コンバータモデリング : 各種変動のモデリング ( 負荷電流等 ) 電圧源電流源ブロック負荷電流変動 : ステップ信号を電流ソースに入力回路設計者が容易な回路素子レベルでのモデリングをサポート各種変動もモデリング可能 24

24 デモ 1: 降圧コンバータモデリング : PWM のモデリングデジタル制御部も Simulink の豊富なブロックでモデル化 25

25 デモ 1: 降圧型コンバータモデリング : シミュレーション全体モデリングしたデジタルアナログ部を可変ソルバで高速シミュレーション 26

26 デモ 1: 降圧型コンバータモデリング : サブサーキット化基準電圧を TestSignal ブロックで定義機能ブロック単位に容易にサブシステム化サブシステムをライブラリ化して資源を再利用および共有 27

27 信号処理設計解析オプション Signal Processing Toolbox 信号生成フィルタ設計解析アナログフィルタディジタルフィルタスペクトル解析線形予測 DSP System Toolbox 高度なフィルタ設計マルチレート適応フィルタ固定小数点化スペクトル推定デジタルフィルタ行列線形代数 FFT/DCT/DWT 時間周波数での信号処理及び解析 28

28 制御器設計最適化ツール Control System Toolbox TM 線形システム定義解析古典制御設計現代制御設計 Simulink Control Design TM Simulink モデルの線形解析周波数応答表示 PID ゲインの自動調節 Simulink Design Optimization TM 実験データを用いた制御対象パラメータ推定期待出力値による制御パラメータ調節 Stateflow フローチャート状態遷移図モデリング各種制御設計に活用 29

29 デモ 2: 降圧コンバータ制御設計デモ概要伝達関数の推定 MATLAB/Simulink の制御系ツールを使う事により様々な補償器の設計を応答波形を操作して可能制御設計ツール (SISO Tool) 30

30 デモ 2: 降圧コンバータ ( 制御設計 ) プラントモデル伝達関数の推定 1 出力 [ 電圧出力 ] 入力 [ PWM 入力 ] 周波数特性を取得解析全帯域の信号を入力して小さいレベルの信号を付加して入力と出力の周波数特性を取得するアベレージも可能 31

31 デモ 2: 降圧コンバータ ( 制御設計 ) プラントモデル伝達関数の推定 2 振幅信号生成位相周波数解析 [num,den]=invfreqs(xfer,w,2,2,[],iter); resp = freqs(num,den,w); MATLAB: Signal Processing Toolboxの関数で振幅位相データを伝達関数に変換 32

32 デモ 2: 降圧コンバータ ( 制御設計 ) 補償器設計 (SISO ツール ) 設計ツール補償器設計後特性位相余裕 :62 各種の補償器設計も応答波形上から設計することが可能です 33

33 デモ 2: 降圧コンバータ ( 制御設計 ) 補償器設計 : 安定解析位相余裕 62 設計時の位相余裕と同等の結果が出ている事を確認 34

34 デモ 2: 降圧コンバータ ( 制御設計 ) 補償器設計 : 適用後のシミュレーション出力電圧インダクタ電流電圧エラーデューティー比 35

HDL 生成ターゲット依存しない VHDL/Verilog テストベンチ (HDL, Model) 生成 FPGA ベンダツールと連携 HDL Verifier HDL シミュレータと協調シミュレーション

35 HDL コード生成検証オプション Filter Design HDL Coder MATLAB で設計した IIR/FIR/ マルチレートフィルタから HDL 生成ターゲット依存しない VHDL/Verilog テストベンチ (HDL, Model) 生成 Z -1 Z -1 Z -1 Z HDL Coder Stateflow, MATLAB Function を含む Simulink モデルから HDL 生成ターゲット依存しない VHDL/Verilog テストベンチ (HDL, Model) 生成 FPGA ベンダツールと連携 HDL Verifier HDL シミュレータと協調シミュレーション ModelSim / Incisive FPGA-in-the-Loop SystemC TLM 2.0 生成 System-Verilog DPI-C リンク機能 (AMS シミュレータ HDL シミュレータリンク機能 ) 36

リミットサイクル発振の解析 Fixed Point Designer (Simulink) Simulink

36 固定小数点演算シミュレーションオプション Fixed-Point Designer (MATLAB) MATLAB で固定小数点演算オーバーフロー発生箇所の検出倍精度浮動小数点演算との比較固定小数点フィルタのダイナミックレンジリミットサイクル発振の解析 Fixed Point Designer (Simulink) Simulink 既存ブロックで固定小数点設定が可能設定は C/HDL コード生成結果に反映固定小数点アドバイザスケーリングの最適化固定小数点化による精度検証が可能 37

Simulink によるシステム設計からアナログ回路設計 HDL Verifier : DPI-C Link 機能 HDL Verifier DPI-C Link の動きのイメージ図 Simulink C Code C Code C Code コンパイルした C コード AMSD in ADE DPI

37 Simulink によるシステム設計からアナログ回路設計 HDL Verifier : DPI-C Link 機能 HDL Verifier DPI-C Link の動きのイメージ図 Simulink C Code C Code C Code コンパイルした C コード AMSD in ADE DPI DPI DPI 回路設計 ADE 環境で実行 system Verilog system Verilog system Verilog Analog circuit Simulink のサブシステムを AMS シミュレータのビヘイビアモデルとして活用アナログデジタル回路のシステム等価検証が可能 38

38 デモ 3: 回路設計検証での活用デモ概要 Simulink で行ったシステム設計モデルを AMS シミュレータ上でビヘイビアモデルとして活用可能システム設計の等価検証を AMS シミュレータ上で行えることを確認 AMS シミュレータ :Cadence Virtuoso AMS Designer を使用 39

39 デモ 3: Simulink 回路設計検証 Simulink から C コード生成サブシステム毎に C コードおよびラッパーコード (C, SystemVerilog) 生成 40

40 デモ 3: Simulink 回路設計検証 AMS シミュレータ上でスケマティック作成 SystemVerilog View 作成スケマティック作成 Simulink から出力された SystemVerilog ラッパーファイルを View 作成に利用 41

41 Simulink システム設計モデル回路設計への適用 AMS シミュレーション Simulink のサブシステムを AMS シミュレータのビヘイビアモデルとして活用アナログデジタルの回路検証が可能 42

42 デモ 3: Simulink 回路設計検証 AMS シミュレータ上で回路図作成詳細回路設計各部を詳細回路設計して Simulink ビヘイビアモデルを詳細回路に置き換えて検証シミュレーション注意 : 今回のデモには含まれません 43

43 デモ 4: デジタル回路設計検証での活用デモ概要デジタル部のモデルを離散化固定小数点化を容易に実現ブロックモデルから HDL コード生成システム設計時から高精度のモデリングが可能 44

44 デモ 4: デジタル回路設計補償器を離散化モデル化補償器を離散化してモデルに置き換える 45

45 デモ 4: デジタル回路設計固定小数点化固定小数点ツールでオートスケーリング可能 46

46 デモ 4: デジタル回路設計 HDL コード生成ブロックモデルからHDLコード生成システム設計時から詳細設計可能 47

47 デモ 4: デジタル回路設計 AMS 検証 AMS シミュレータ上でデジタルアナログ部を詳細回路に置き換えての検証注意 : 今回のデモには含まれません 48

48 まとめ MATLAB/Simulink はアナログミクスドシグナルシステム設計における STARC 推奨ツールですシステム設計において抽象度が高いモデルから回路素子モデルまでモデリングが可能です MATLAB/Simulink でシステム設計を行って頂く事でアナログデジタルの回路設計検証にまで活用頂けます電源設計に置いてもシステム設計 ~ 回路設計でのフローで活用可能です 49

デモブースのご案内アナログ / デジタル協調設計 2013 The MathWorks,

trademarks of The MathWorks, Inc. See www.

49 デモブースのご案内アナログ / デジタル協調設計 2013 The MathWorks, Inc. MATLAB and Simulink are registered trademarks of The MathWorks, Inc. See for a list of additional trademarks. Other product or brand names may be trademarks or registered trademarks of their respective holders. 50

50 Appendix:AMS 関連リンクページ各種ユーザ事例無償ミックスドシグナルライブラリ 51

MATLAB/SimulinkによるAMS活用事例～Mixed-Signal Library 2.0のご紹介～

MATLAB/SimulinkによるAMS活用事例～Mixed-Signal Library 2.0のご紹介～ MATLAB/Simulink による AMS 活用事例 ~Mixed-Signal Library 2.0 のご紹介 ~ MathWorks Japan アプリケーションエンジニアリング部シニアアプリケーションエンジニア竹本佳充 2012 The MathWorks, Inc. 1 Agenda 1. AMS 設計活用事例 I. ミックスドシグナルトップダウン設計 II. MATLAB/Simulinkの導入メリット

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