電源完整性（PI）仿真簡介

首先，咱們先來討論一下電源完整性的概念，電源完整性（PI，Power Integrity)就是為板級系統(tǒng)提供一個穩(wěn)定可靠的電源分配系統(tǒng)（PDS）。實質(zhì)上是要使系統(tǒng)在工作時，電源、地噪聲得到有效的控制，在一個很寬的頻帶范圍內(nèi)為芯片提供充足的能量，并充分抑制芯片工作時所引起的電壓波動、輻射及串?dāng)_。今天，一起來聊聊電源完整性仿真的必要性：隨著超大規(guī)模集成電路工藝的發(fā)展，芯片工作電壓越來越低，而工作速度越來越快，功耗越來越大，PCB板的密度也越來越高，因此對電源供應(yīng)系統(tǒng)在整個工作頻帶內(nèi)的穩(wěn)定性提出了更高的要求。電源完整性設(shè)計的水平直接影響著系統(tǒng)的性能，如整機可靠性，信噪比與誤碼率，及EMI/EMC等重要指標。板級電源通道阻抗過高和同步開關(guān)噪聲SSN過大會帶來嚴重的電源完整性問題，這些會給器件及系統(tǒng)工作穩(wěn)定性帶來致命的影響。PI設(shè)計就是通過合理的平面電容、分立電容、平面分割應(yīng)用確保板級電源通道阻抗?jié)M足要求，確保板級電源質(zhì)量符合器件及產(chǎn)品要求，確保信號質(zhì)量及器件、產(chǎn)品穩(wěn)定工作。電源完整性PI與信號完整性SI的相互影響：從整個仿真領(lǐng)域來看，剛開始大家都把注意力放在信號完整性上，但是實際上電源完整性和信號完整性是相互影響相互制約的。電源、地平面在供電的同時也給信號線提供參考回路，直接決定回流路徑，從而影響信號的完整性；同樣信號完整性的不同處理方法也會給電源系統(tǒng)帶來不同的沖擊，進而影響電源的完整性設(shè)計。所以對電源完整性和信號的完整性地融會貫通是很有益處的。設(shè)計工程師在掌握了信號完整性設(shè)計方法之后，充實電源完整性設(shè)計知識顯得很有必要。電源完整性研究的內(nèi)容：電源完整性仿真的內(nèi)容很多，但主要的幾個方面如下：1：板級電源通道阻抗仿真分析，在充分利用平面電容的基礎(chǔ)上，通過仿真分析確定旁路電容的數(shù)量、種類、位置等，以確保板級電源通道阻抗?jié)M足器件穩(wěn)定工作要求。2：板級直流壓降仿真分析，確保板級電源通道滿足器件的壓降限制要求。3：板級諧振分析，避免板級諧振對電源質(zhì)量及EMI的致命影響等。電源分配系統(tǒng)（PDS）：上圖是一張經(jīng)典的電源分配系統(tǒng)特性圖，相信大家都比較熟悉。從這個圖里面，我們可以將整個電源頻段分成幾部分。在低頻段，電源噪聲主要靠電源轉(zhuǎn)換芯片VRM來濾波。在幾MHZ到幾百MHZ的頻段，電源噪聲主要是由板級分立電容和PCB的電源地平面對來濾波。在高頻部分，電源噪聲主要是由PCB的電源地平面對和芯片內(nèi)部的高頻電容來濾波。我們在做仿真的時候，對低頻和高頻部分的仿真精度都還不準確，真正有意義的頻段主要還是在幾MHZ到幾百MHZ這個頻段。該聊聊大家都很熟悉的目標阻抗Ztarget了。筆者認為，這個目標阻抗是電源完整性仿真里的一個有用但不精確的標準。其中：Ztarget目標阻抗Power Supply Voltage是工作電壓Allowed Ripple 是允許的工作電壓紋波系數(shù)Current 是工作電流，目前這個值是用最大電流的1/2來替代。大家都知道，電源測試的時候，主要是測試紋波，噪聲，但是業(yè)界目前還很難通過軟件進行時域的紋波噪聲仿真（一些大公司已經(jīng)通過測試來建立芯片的噪聲模型，然后用這個模型直接仿真，得到的結(jié)果就是電源噪聲，但目前還處于探索階段，沒有推廣使用），而是仿真電源分配系統(tǒng)的電源阻抗，他們的關(guān)系可以通過V=R/I來聯(lián)系。因此如果還是仿真阻抗曲線的話，測試與仿真不能形成閉環(huán)。在衡量這個阻抗曲線是否能滿足要求的時候，使用了這個目標阻抗的標準，但是仔細想想，這個標準還是有很多問題的，比如：這里的電流多大合適？實際的單板功耗是一個動態(tài)功耗，是不端的變的。在單板的整個頻段范圍里，使用統(tǒng)一的目標阻抗值，肯定也是不合理的，應(yīng)該是各個頻段，標準不一樣。雖然有這些問題存在，但這個標準還是很有用的，可以通過這個標準衡量電源平面的好壞。就如目前的時序計算，大家基本上都是通過公式對時序進行計算，就是所謂的靜態(tài)時序分析。雖然這個靜態(tài)時序分析對電源波動，ISI,SSN等問題考慮不周到，也就是說計算結(jié)果不準確，但用來衡量接口時序還是很有用的。因此筆者認為，目標阻抗是一個有用而不準確的標準。關(guān)于電容的資料很多，這里只做簡單介紹，下次將介紹在PI仿真里面很重要的平面板電容。電容不僅僅是電容：在頻率很高時，電容不能再被當(dāng)作一個理想的電容看，而應(yīng)該充分考慮到它的寄生參數(shù)效應(yīng)，通常電容的寄生參數(shù)為ESR,ESL。串聯(lián)的RLC電路在f處諧振。其曲線如下圖。圖中f為串聯(lián)諧振頻率（SRF），在f之前為容性，而在f之后，則為感性，相當(dāng)一個電感，所以在選擇濾波電容時，必須使電容器工作在諧振頻率之前。在仿真的時候，由于目前VRM的模型基本上是不準確的，低頻的濾波靠DC/DC電源轉(zhuǎn)換芯片來完成，一般300K以下的低頻阻抗曲線是不準確地。頻率范圍的上限一般取信號的截止頻率fknee=0.35 /Trrise，其中Trise為信號上升時間。但是也要明白一點，如果你只是做板級電源完整性仿真，最多考慮到1G就可以了，因為大于1G以后，要靠芯片內(nèi)部的電容來濾波，在做板級仿真的時候，沒有芯片內(nèi)部的模型，所以高頻部分的仿真也是不準確的。當(dāng)然了，如果您有芯片內(nèi)部的信息，也可以用SIWAVE等軟件做DIE-PACKAGE-BOARD的協(xié)同仿真，高頻部分也就準確了。因此很多情況下，低頻仿真不出電源負反饋、高頻仿真不出芯片內(nèi)電容, 我們不要把仿真的結(jié)果當(dāng)做絕對值，可以把它當(dāng)作是相對值，通過去耦電容的選擇和放置、電源和地平面的分割等方法來優(yōu)化阻抗。祝愿各位在做仿真的時候能靈活運用。