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车载半导体产品基于模型的开发（MBD）计划
车载半导体所处的大环境
随着汽车电动化和高级功能的不断发展，车载系统正变得越来越庞大且复杂。由于功率半导体等多种电子元器件被集成到同一系统中，为确保产品的安全性和可靠性，所需开展的评估与验证工作量正迅速增加。与此同时，市场对于缩短开发周期的要求也日益严格。因此，在有限的人力和资源条件下，对整个系统进行充分评估和验证正变得愈发困难。
此外，如果在开发后期发现某个单一组件存在缺陷，不仅会给系统制造商带来大量返工工作，也会增加零部件供应商的开发负担，从而导致开发周期延长和开发成本上升。
为应对这些挑战，基于模型的开发（MBD）一种利用模型和仿真在设计初期就对系统进行验证的方法，正在汽车行业内迅速普及。
车载半导体基于模型的设计计划概览
鉴于我们在实现MBD过程中所发挥的作用，首先需为我们的客户（整机制造商和部件制造商）提供可在设计环境中运行的模型。作为一项具体计划，我们提供与客户设计环境中的各种工具相兼容的器件模型，如SPICE模型和热力分析模型。在系统级上层设计阶段，车载半导体通常被视为理想半导体，上游整机制造商和部件制造商进行的MBD与下游元器件制造商进行的MBD在模型粒度方面存在差距。例如，在硬验证阶段，处理高压和大电流的功率半导体所产生的热量和噪声会对系统产生影响的情况很常见，并会构成挑战。因此，作为一项改进计划，我们提出了一种基于我公司特有的退化技术的分析方法，该方法可用于对车载功率MOSFET和IC进行散热设计和电磁干扰（EMI）噪声验证。为解决这一问题，我们提出了一种基于自主开发的降阶模型（ROM，Reduced Order Modeling）技术的分析方法，可实现对车载功率MOSFET和IC的热设计（Thermal Design）以及EMI（电磁干扰）噪声的高效验证。
车载半导体模型的总体构成图
下表列出了我公司可提供的车载半导体模型。
| 车载半导体模型 | 电气模型 | 热分析 模型 |
||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 工具／格式 | PSpice® | LTspice® | SIMetrix | Eldo™ | PLECS® | Xpedition AMS | STEP | |
| 分立半导体 | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎*1 | ○ | ◎*2 | |
| IC | 电机驱动电路 | ◎*1 | - | - | - | - | ○ | ○*3 |
| IPD（智能功率器件） | ◎*1 | - | - | - | - | - | ○*3 | |
| 车载通信IC（CXPI） | - | - | - | - | - | ○ | ○*3 | |
◎；可提供，并且现已向公众开放
〇；客户来电，来函咨询后可提供
*1；部分可提供
*2；目前客户可从网上下载获取热力分析CFD简化模型，客户来电/来函咨询后，我公司可提供详细模型。
*3；客户来电、来函咨询后，我公司可提供详细模型。
东芝的车载半导体模型
1.分立半导体模型
对于车载分立半导体产品的电气模型，我们准备了两种不同粒度的SPICE模型。一种是G0模型，由于其计算速度快，适用于功能检查。另一种是我们为MOSFET产品开发的专有G2模型（高精度SPICE模型）。G2模型是以BSIM3为基础的宏模型格式创建的，使用尽可能少的模型元素以及具有连续任意函数的非线性元素来表示目标元素的电气特性。因此，该模型具有节点数增加（会导致收敛问题和计算速度变慢）最少化等特性，而这些都是传统宏模型的缺点。此外，该模型还有另一项优异性能，通过再现ID-VDS曲线的大电流区域特性以及具有非线性特征的电容特性，能够实现接近实际测量结果的高精度仿真。该模型还考虑了封装的寄生元件，可以分析开关过程中发生的振铃和电磁干扰（EMI）。请参阅以下应用说明，了解更多详情。
车载分立半导体MBD介绍（PDF：1.49MB）
以下链接介绍了G2模型（高精度SPICE模型）。
可更精确地模拟功率器件瞬态特性的高精度SPICE模型
我们提供与各种仿真工具兼容的SPICE模型。具体来说，除了表格中列出的PSpice®和LTspice®模型外，SIMetrix、Eldo™和PLECS®模型也可在线获取。您可通过以下链接查看各种模型：
EDA／CAD模型库
以下链接详细介绍了用于分立半导体产品热力分析的CFD简化模型的情况。
冷却仿真模型：增加适用于MOSFET三维热流体分析的CFD简化模型数量
我们提出了一种生成“概念性SPICE模型”的技术，该技术通过将从器件仿真工具中提取的电气特性与概念设计数据相结合，能够对功率半导体特性进行预制预测。
2.IC模型
本节介绍了利用尚处于开发阶段的IC模型进行的功能验证、热力分析、电磁兼容性（EMC）分析和控制分析。有关各分析模型的咨询及注意事项，请通过咨询页面底部的链接与我们联系。
功能验证
东芝专注于开发用于车载电机系统和车载通信系统的新型IC产品。图1为使用Xpedition AMS进行仿真的示例，将H桥栅极驱动电路IC（TB9103FTG：尚处于开发阶段）的模型与功率MOSFET（G2）模型以及电机等力学模型相结合。图2监控施加至每个MOSFET的电压，这些MOSFET由在IC输入端子（IN1、IN2）处反复反向和反转的控制信号驱动。图2的下半部分显示了在用虚线表示的期间内高边MOSFET的栅极电压（V(GH1)）和源极电压（V(SH1)）的放大图。使用此IC模型，可以密切观察IC的运行情况以及MOSFET在驱动过程中的行为。
热力分析
在车载电子产品领域，贴装密度大、环境温度高的工作环境日益恶劣，由于所用电子元器件、其布局方式和PCB设计的影响，导致出现各种散热问题。为积极预防这些问题，有必要在开发初期进行热力分析。我公司可提供用于IC热力分析的STEP格式的详细模型。如需使用模型（包括未列出的产品），请联系我们。
| 类别 | 产品 | 特点 | 封装 | 热模型 |
|---|---|---|---|---|
| CXPI | TB9032FNG | CXPI驱动电路接收器 | P-SOP8-0405-1.27-002 |
STEP格式 |
| 有刷电机驱动电路 | TB9051FTG | H桥驱动电路（单通道） | P-QFN28-0606-0.65-001 | |
| TB9052FNG | 直流有刷电机栅极驱动电路（单通道） | HTSSOP48-P-300-0.50 | ||
| TB9053FTG | H桥驱动电路（双通道） | P-QFN40-0606-0.50 | ||
| TB9054FTG | H桥驱动电路（双通道） | P-VQFN40-0606-0.50 | ||
| TB9056FNG | 具有本地互连网络（LIN）的H桥驱动电路（单通道） | SSOP24-P-300-0.65A | ||
| TB9057FG | 直流有刷电机栅极驱动电路（单通道） | LQFP48-P-0707-0.50 | ||
| TB9058FNG | 具有本地互连网络（LIN）的H桥驱动电路（单通道） | SSOP24-P-300-0.65A | ||
| 无刷电机驱动电路 | TB9061AFNG | 3相无传感器电机栅极驱动电路 | SSOP24-P-300-0.65A | |
| TB9080FG | 3相无刷电机栅极驱动电路 （输出正弦波驱动的内置控制逻辑） |
LQFP64-P-1010-0.50E | ||
| TB9081FG | 3相无刷电机栅极驱动电路 | QFP64-P-1010-0.50C | ||
| TB9083FTG | 3相无刷电机栅极驱动电路 | P-VQFN48-0707-0.50-005 | ||
| 步进电机驱动电路 | TB9120AFTG | 2相双极型步进电机驱动电路 （励磁模式：最高可达1/32） |
P-VQFN28-0606-0.65 | |
| SmartMCD™ | TB9M003FG | 3相无刷电机栅极驱动电路 | P-HTQFP48-0707-0.50-001 |
*STEP格式是一种ISO标准，与许多3D CAD工具相兼容，可用于Flotherm™和Icepak™等各种流体分析工具。
电磁兼容性（EMC）分析
随着自动驾驶的发展和各系统功能的增强，车辆通信网络中的信息量正在增长。在这种环境下，可确保安全性和可靠性的电磁兼容性（EMC）措施越来越重要。 然而，要想设计出可在车内复杂的电磁环境中兼顾各种器件间相互干扰影响的汽车系统，极具挑战性。我公司致力于通过开发和改进模型提前安排电磁兼容性（EMC）。
控制分析
本公司提供了一套硬件模块，可在MATLAB®／Simulink®上实现SmartMCD™的硬件功能，并提供了一个利用这些硬件功能进行速度控制的模型，从而无需实际硬件即可使用SmartMCD™进行电机控制开发（图5）。通过将我们的控制模型与电机模型及负载模型结合进行仿真，您可以评估基于SmartMCD™的系统控制性能。此外，我们正在开发一项软件自动生成功能，该功能可将控制模型与硬件相关的设备驱动程序进行耦合。通过自动代码生成功能，可轻松将经过评估的模型迁移到实际硬件上。同时，基于该模型的自动控制增益调谐工具目前也正在开发中（图6）。通过基于模型的控制评估和校准，结合模型仿真，并借助自动代码生成与实际硬件进行协同，从而实现了基于模型的开发，简化了开发流程。
相关信息
* PSpice®为Cadence Design Systems, Inc.的注册商标。
* LTspice®为Analog Devices, Inc.提供的仿真软件及其注册商标。
* SIMetrix为SIMetrix Technologies Ltd.提供的仿真软件。
* Xpedition AMS为Siemens Industry Software Inc.提供的系统仿真器。
* MATLAB®／Simulink®为MathWorks, Inc.提供的仿真软件及其注册商标。
* VenetDCP®为Toshiba Digital Solutions Corporation的注册商标。
* SmartMCD™为Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation的商标。
* Eldo™为Siemens Industry Software Inc.提供的仿真软件及其商标。
* Flotherm™为Siemens Industry Software Inc.提供的仿真软件及其商标。
* Icepak™为Ansys, Inc.提供的仿真软件及其商标。
* 本文中提及的其他公司名称、产品名称及服务名称，可能为其各自所有者的商标或注册商标。