搞定PCB仿真，只需要3步！

摘要

電源完整性（PI，Power Integrity)就是為板級(jí)系統(tǒng)提供一個(gè)穩(wěn)定可靠的電源分配系統(tǒng)（PDS）。

實(shí)質(zhì)上是要使系統(tǒng)在工作時(shí)，電源、地噪聲得到有效的控制，在一個(gè)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(shí)所引起的電壓波動(dòng)、輻射及串?dāng)_。

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(lái)越低，而工作速度越來(lái)越快，功耗越來(lái)越大，單板的密度也越來(lái)越高，因此對(duì)電源供應(yīng)系統(tǒng)在整個(gè)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(jì)的水平直接影響著系統(tǒng)的性能，如整機(jī)可靠性，信噪比與誤碼率，及EMI/EMC等重要指標(biāo)。

板級(jí)電源通道阻抗過(guò)高和同步開(kāi)關(guān)噪聲SSN過(guò)大會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的電源完整性問(wèn)題，這些會(huì)給器件及系統(tǒng)工作穩(wěn)定性帶來(lái)致命的影響。

PI設(shè)計(jì)就是通過(guò)合理的平面電容、分立電容、平面分割應(yīng)用確保板級(jí)電源通道阻抗?jié)M足要求，確保板級(jí)電源質(zhì)量符合器件及產(chǎn)品要求，確保信號(hào)質(zhì)量及器件、產(chǎn)品穩(wěn)定工作。

PI和SI的相互影響：

從整個(gè)仿真領(lǐng)域來(lái)看，剛開(kāi)始大家都把注意力放在信號(hào)完整性上，但是實(shí)際上電源完整性和信號(hào)完整性是相互影響相互制約的。

電源、地平面在供電的同時(shí)也給信號(hào)線提供參考回路，直接決定回流路徑，從而影響信號(hào)的完整性；

同樣信號(hào)完整性的不同處理方法也會(huì)給電源系統(tǒng)帶來(lái)不同的沖擊，進(jìn)而影響電源的完整性設(shè)計(jì)。

所以對(duì)電源完整性和信號(hào)的完整性地融會(huì)貫通是很有益處的。設(shè)計(jì)工程師在掌握了信號(hào)完整性設(shè)計(jì)方法之后，充實(shí)電源完整性設(shè)計(jì)知識(shí)顯得很有必要。

PI研究的內(nèi)容

1：板級(jí)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(guò)仿真分析確定旁路電容的數(shù)量、種類(lèi)、位置等，以確保板級(jí)電源通道阻抗?jié)M足器件穩(wěn)定工作要求。
2：板級(jí)直流壓降仿真分析，確保板級(jí)電源通道滿足器件的壓降限制要求。
3：板級(jí)諧振分析，避免板級(jí)諧振對(duì)電源質(zhì)量及EMI的致命影響等。

電源分配系統(tǒng)（PDS）

研究的內(nèi)容

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(gè)圖里面，我們可以將整個(gè)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(lái)濾波。在幾MHZ到幾百M(fèi)HZ的頻段，電源噪聲主要是由板級(jí)分立電容和PCB的電源地平面對(duì)來(lái)濾波。在高頻部分，電源噪聲主要是由PCB的電源地平面對(duì)和芯片內(nèi)部的高頻電容來(lái)濾波。我們?cè)谧龇抡娴臅r(shí)候，對(duì)低頻和高頻部分的仿真精度都還不準(zhǔn)確，真正有意義的頻段主要還是在幾MHZ到幾百M(fèi)HZ這個(gè)頻段。

目標(biāo)阻抗Ztarget

該聊聊大家都很熟悉的目標(biāo)阻抗Ztarget了。筆者認(rèn)為，這個(gè)目標(biāo)阻抗是電源完整性仿真里的一個(gè)有用但不精確的標(biāo)準(zhǔn)。

其中：Ztarget目標(biāo)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(gè)值是用最大電流的1/2來(lái)替代。

大家都知道，電源測(cè)試的時(shí)候，主要是測(cè)試紋波，噪聲，但是業(yè)界目前還很難通過(guò)軟件進(jìn)行時(shí)域的紋波噪聲仿真（一些大公司已經(jīng)通過(guò)測(cè)試來(lái)建立芯片的噪聲模型， 然后用這個(gè)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(méi)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(guò)V=R/I來(lái)聯(lián)系。因此如果還是仿真阻抗曲線的話，測(cè)試與仿真不能形成閉環(huán)。

在衡量這個(gè)阻抗曲線是否能滿足要求的時(shí)候，使用了這個(gè)目標(biāo)阻抗的標(biāo)準(zhǔn)，但是仔細(xì)想想，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)還是有很多問(wèn)題的，比如：這里的電流多大合適？實(shí)際的單板功耗是一個(gè)動(dòng)態(tài)功耗，是不端的變的。在單板的整個(gè)頻段范圍里，使用統(tǒng)一的目標(biāo)阻抗值，肯定也是不合理的，應(yīng)該是各個(gè)頻段，標(biāo)準(zhǔn)不一樣。

雖然有這些問(wèn)題存在，但這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)還是很有用的，可以通過(guò)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)衡量電源平面的好壞。

就如目前的時(shí)序計(jì)算，大家基本上都是通過(guò)公式對(duì)時(shí)序進(jìn)行計(jì)算，就是所 謂的靜態(tài)時(shí)序分析。

雖然這個(gè)靜態(tài)時(shí)序分析對(duì)電源波動(dòng)，ISI,SSN等問(wèn)題考慮不周到，也就是說(shuō)計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確，但用來(lái)衡量接口時(shí)序還是很有用的。

因此筆 者認(rèn)為，目標(biāo)阻抗是一個(gè)有用而不準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)于電容

關(guān)于電容的資料很多，這里只做簡(jiǎn)單介紹。

電容不僅僅是電容：在頻率很高時(shí)，電容不能再被當(dāng)作一個(gè)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(gè)電感，所以在選擇濾波電容時(shí)，必須使電容器工作在諧振頻率之前。

關(guān)于仿真結(jié)果

在仿真的時(shí)候，由于目前VRM的模型基本上是不準(zhǔn)確的，低頻的濾波靠DC/DC電源轉(zhuǎn)換芯片來(lái)完成，一般300K以下的低頻阻抗曲線是不準(zhǔn)確地。頻率范圍的上限一般取信號(hào)的截止頻率fknee=0.35 /Trrise，其中Trise為信號(hào)上升時(shí)間。

但是也要明白一點(diǎn)，如果你只是做板級(jí)電源完整性仿真，最多考慮到1G就可以了，因?yàn)榇笥?G以后，要靠芯片內(nèi)部的電容來(lái)濾波，在做板級(jí)仿真的時(shí)候，沒(méi)有芯 片內(nèi)部的模型，所以高頻部分的仿真也是不準(zhǔn)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(zhǔn)確了。

因此很多情況下，低頻仿真不出電源負(fù)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(duì)值，可以把它當(dāng)作是相對(duì)值，通過(guò)去耦電容的選擇和放置、電源和地平面的分割等方法來(lái)優(yōu)化阻抗。

祝愿各位在做仿真的時(shí)候能靈活運(yùn)用。

確保信號(hào)完整性的PCB設(shè)計(jì)方法

通過(guò)總結(jié)影響信號(hào)完整性的因素，在PCB設(shè)計(jì)過(guò)程較好地確保信號(hào)完整性，可以從以下幾個(gè)方面來(lái)考慮。

（1）電路設(shè)計(jì)上的考慮。包括控制同步切換輸出數(shù)量，控制各單元的最大邊沿速率（dI/dt和dV/dt），從而得到最低且可接受的邊沿速率；為高輸出功能塊（如時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器）選擇差分信號(hào)；在傳輸線上端接無(wú)源元件（如電阻、電容等），以實(shí)現(xiàn)傳輸線與負(fù)載間的阻抗匹配。

（2）最小化平行布線的走線長(zhǎng)度。

（3）元件擺放要遠(yuǎn)離I/O互連接口和其他易受干擾及耦合影響的區(qū)域，盡量減小元件間的擺放間隔。

（4）縮短信號(hào)走線到參考平面的距離間隔。

（5）降低走線阻抗和信號(hào)驅(qū)動(dòng)電平。

（6）終端匹配。可增加終端匹配電路或者匹配元件。

（7）避免相互平行的走線布線，為走線間提供足夠的走線間隔，減小電感耦合。