Cadence-PDN電源完整性分析

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)Cadence PDN電源平面完整性分析孫海峰隨著超大規(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，單板的密度也越來越高，因此對電源供應系統(tǒng)在整個工作頻帶內的穩(wěn)定性提出了更高的要求。電源完整性設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設計就是通過合理的平面電容、分立電容、

2、平面分割應用確保板級電源通道阻抗?jié)M足要求，確保板級電源質量符合器件及產品要求，確保信號質量及器件、產品穩(wěn)定工作。Cadence PCB PDN analysis電源平面分析主要可以解決以下幾個問題：板級電源通道阻抗仿真分析，在充分利用平面電容的基礎上，通過仿真分析確定旁路電容的數量、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。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。板級諧振分析，避免板級諧振對電源質量及EMI的致命影響等。那么Cadence PCB PDN analysis如何對PCB進行電源平面完整性的分析？接下來，我將以一個3v3如下圖所示的電源平面為例

3、，來進行該平面的電源平面分析。對圖中3v3電源平面進行完整性分析，具體步驟將作詳細解析。在對該電源平面進行分析之前，我們需要首先確定PCB參數的精確，如：電源平面電平Identify DC Nets、PCB疊層參數Cross-Section等，這些參數都必須和PCB板廠溝通（板廠對疊層參數生產能力不同），在此基礎上精確參數方能得到精確的分析結果。這些參數也可以在PDN Analysis分析界面上點擊Identify DC Nets，Cross-Section來調整優(yōu)化。認識PCB PDN analysis分析界面調用Allegro PCB PDN Option或者Allegro SI-GXL的

4、license打開PCB設計分析界面，然后在該界面中執(zhí)行Analyze/PDN Analysis命令即可打開PDN分析界面。其中主要有三個選項卡Power and Ground用以設置需要分析的電源平面和地賄賂平面并相關參數設置；Decoupling Capacitors用以設置PCB電源平面上應用的去耦電容參數；Components and Ports用以設定PCB中應用該電源平面的相關器件的激勵端（Source）和接收端（Sink），下面將詳細說明。Power and Ground選項卡如下圖所示：其中點擊Select DC Nets將彈出電源、地網絡列表，從中我們來選擇需要分析的電源網絡

5、（3v3）以及對應的地回路網絡（0），如下圖所示，這里需要注意：必須有對應的地回路網絡，沒有回路，將無法進行分析。選擇好待分析電源平面后，我們需要定義相關的分析參數，如下面的介紹。Ripple：允許的電源平面紋波極限，典型值2.5%；MAX. Delta Current：電源平面允許的最大極限電流；Target Impedance：電源平面目標阻抗電源平面電壓*紋波比例/平面極限電流，即Zmax=（Vdd*Ripple）/Imax，Imax=50%*MAX Delta Current（留有余量）；MAX.DC IRDROP：電源平面允許的最大直流壓降值，壓降超過該值，PDN分析將會報警；Cur

6、rent THold：電流閥值，電流值超過界限將會報警電源供電的器件參數有該限值；Density THold：電流密度限值，電流密度超過該值即會報警由器件參數中電流密度限值決定。Decoupling Capacitors選項卡如下圖所示：在Configure decoupling capacitors區(qū)域選擇待分析電源網絡，然后在下面的電容參數區(qū)域，可以對設計中的去耦電容添加電容RLC參數，也可以在設計中添加不同頻點的去耦電容，以提高電源平面的完整性。1.2.1 添加去耦電容模型庫在以上窗口中點擊Library，即可指定設計中應用電容模型庫，包括：選擇當前設計中的去耦電容模型庫；添加電容模型庫

7、其中電容的頻率參數直觀的顯示出來如下圖所示。1.2.2 添加去耦電容模型參數選擇電源平面中應用的去耦電容，然后點擊Add Model，其中需要添加電容的R/L/C模型參數如下圖所示。完成電容模型參數設定后，如果需要修改參數，可以點擊Edit Model以編輯優(yōu)化去耦電容R/L/C參數。對于上圖所示的電容模型參數，點擊Plot Graph，即可在完成模型參數設置后實時看到準確的電容頻域曲線，即可了解電容對哪個頻段的雜波抑制效果最好去耦電容頻率特性由電容值Capacitance、特征阻抗ESR、特征電感ESL及安裝寄生電感Mounted Inductance等參數決定。由上圖所示，該電容模型將主要

8、用以抑制8.76MHz頻率的雜波激勵，以確保3v3電源平面的完整性和阻抗連續(xù)性。Components and Ports選項卡如下圖所示：在Components and Ports選項卡中，主要設置電源平面的返回路徑、電源平面分析的激勵源端（Source電源接入引腳）以及電源平面接收端（Sink電源使用的器件Pin）Source為電源平面接入Pin（電源轉換端接入端），Sink為使用該電源的器件Pin。其中Sink的選擇，不需要選擇全部的電源使用Pin為分析Sink端，只需要著重分析該電源使用頻率最高的器件。 1.3.1 電源平面激勵端接收端設置 如上圖所示，設置U12.4為Source端（U

9、12為電源轉換芯片，實現10v-3v轉換，U12.4為3v電平輸出端），U15.AA5U15.W11設置為Sink端（U15為電源3v3平面主要使用芯片，AA5W11為電源3v3平面的使用Pins），設置完成后，U15上電源使用Pin的允許電流為Current THold/電源使用Pin的數量（分析時默認情況電流為平均分布），如下圖所示。Sink電源平面接收端（器件電源使用引腳）的電流分析閾值為1.3.2 電源平面返回路徑設置在Components and Ports選項卡中，點擊右上角的Return Path在彈出的Return Path Configuration對話框中可以設置電源的返回

10、平面，即對應的返回地平面，如下圖所示，指定電源引腳Power Pins對應器件Ground Pins的地網絡即可完成所有電源Pin的電流返回路徑（對應地Pin）設置。電源平面仿真參數設置電源平面的參數設置，包括待分析電源平面，電源疊層參數，電源平面去耦電容參數，電源平面返回平面，以及激勵端、接收端等參數的設置。完成這些參數設置后，在真正進行電源平面的仿真分析前，我們必須完成電源完整性分析的仿真參數設定。在PDN Analysis主分析界面中，點擊Analyze-Mesh/Static IRDrop Analysis/PI Plane Analysis/PI Network Analysis命令

11、都可以打開電源平面仿真參數設置界面，如下圖所示。在Power/Ground Plane的仿真參數設置界面中，點擊Preferences彈出Preferences窗口，該界面即可用以設置電源平面仿真各參數，包括Mesh網格參數、仿真疊層參數、分析頻域范圍、分析溫度參數等各類PDN Analysis仿真參數，改善這些參數可以優(yōu)化電源平面分析的準確度、仿真精度以及仿真速度。2.1 Preferences/General選項卡參數設置其中參數設置如下：Default參數仿真默認參數，即PDN Analysis主界面的參數設置，不再贅述；Target impedance shape（Default）參數

12、電源平面目標阻抗曲線，包括平面阻抗曲線的拐點（Corner Impedance）、阻抗變化后的斜率（Slope）及其倍增量（Multiplier），即目標阻抗某范圍內是保持不變的，超過該拐角頻率后目標阻抗將以某個斜率值呈線性變化的趨勢；Decoupling capacitor參數去耦電容參數，包括電容安裝后的寄生電感（Mounted inductance），以及去耦電容的去耦有效半徑（0.005H）。2.2 Preferences/Simulation仿真范圍設置其中電源平面仿真參數如下：Frequency Domain頻域參數電源平面分析的頻率分析范圍，包括電源平面分析的起始頻率（Lower

13、 Frequency）、終止頻率（Upper Frequency）、頻率掃描分析方式（Sweep Scale）以及頻率分析次數（Sweep Number）；Time Domain時間參數電源平面分析的時間參數，包括仿真持續(xù)時間（Duration Time），以及時間分辨率，即分析的時間采樣率（Resolution Time）；Color Legend顏色參數電源平面分析的顏色參數，可以設置分析結果顯示的顏色設置如下圖所示，設置完成后平面分析結果將以這個顏色參數在界面中顯示分析的電壓、電流、溫度、電流密度以及平面阻抗等電壓平面性能。注意：PDN Analysis電源平面分析一般在1MHz-5GH

14、z之間，頻率小于1MHz或大于5GHz的超低頻或超高頻時，電源平面分析就需要IC器件的內部分析模型，與PDN進行協(xié)同分析。2.3 Preferences/Field Solver仿真求解算法設置其中電源平面分析的算法參數如下：Mesh InformationRectangle參數網格化參數設置，包括網格化尺寸，網格化的平面范圍（Scope）等平面網格化參數；Field Solver Option算法參數電源平面分析的算法選擇設置，一般選擇默認全波分析算法既可（Full Wave Model）；Ambient Temperature溫度參數環(huán)境溫度設置，即默認的分析溫度；Surface Roug

15、hness粗糙度參數PCB表面曾粗糙度參數，板廠會有對應粗糙度參數，若不考慮PCB表面粗糙度，設置為0即可。注意：Mesh網格化尺寸參數，有Fine/Regular/Coarse/Custom四種參數，其決定的電源平面的網格尺寸分別為1/20的波長（Fine），1/10的波長（Regular），1/5的波長（Coarse），波長=3e8/Freq。Mesh網格化更精確，電源平面分析就更精確，但分析速度較慢；網格化粗糙，電源平面分析隨之粗糙，但分析速度較快；網格化標準，電源平面分析精度與速度平衡。我們在做電源平面分析的時候，需要在分析精度和分析速度之間作平衡。 電源平面網格化（Mesh）我們需要

16、給電源平面進行網格化分析，即將電源平面按照規(guī)定的參數尺寸分割為密集的網格形式，以便于后期的電源平面壓降、電流、阻抗等仿真分析電源平面分析是以網格為基礎的，電源平面網格化的精度決定著分析的精度與速度。在PCB PDN Analysis分析主界面中，點擊Analyze/Mesh命令，進入Power/Ground Plane Meshing網格化分析界面，如下圖所示，點擊Mesh命令軟件即可對電源平面進行Mesh網格化分析。電源平面Mesh網格化分析完成之后，在PCB界面Options窗口，選擇電源平面所在疊層，其網格化分析結果將會在PCB上形象化的顯示。注意：顯示電源平面Mesh分析結果時，在Vi

17、sibility窗口中關閉可視疊層，PDN Mesh網格化分析顯示的電源平面不屬于某個疊層，是單獨顯示的。 QUOTE 上圖所示即為電源平面網格化Mesh分析后的平面顯示結果，它將電源平面細化為無數的網格（網格尺寸在Preferences/Field Solver/Mesh Information中設置），PDN電源平面的其他壓降、電流、電流密度、阻抗、溫度等分析都將以此網格為基礎做詳細的分析。電源平面靜態(tài)壓降分析IR Drop電源平面的靜態(tài)壓降分析，即直流壓降分析，可以將電源平面的直流電壓狀況以圖形化、形象化的方式顯示出來，可幫助工程師檢驗該電源平面分割方式（該供電系統(tǒng)）是否能夠提供足夠的直

18、流信號用于驅動信號有效傳輸（器件能否正常工作）。在PCB PDN Analysis主分析界面中，點擊Analyze/Static IRDrop Analysis命令，如下圖所示，并在彈出的Static IRDrop Analysis窗口中點擊Preferences，以完成仿真參數設置，具體參數設置前面已有介紹，不再贅述。然后在Static IRDrop Analysis分析界面，點擊Analyze命令，即可開始電源平面的靜態(tài)壓降分析，分析完成后，直流壓降、電流、電流密度、溫度等平面分析結果都將在PCB界面中顯示出來。在PCB界面中，右擊可以選擇顯示結果的類型，包括Mesh網格顯示、Voltag

19、e直流壓降顯示、Density電流密度顯示、TempRise溫升顯示燈結果顯示，此外結果還可以通過3D EMV Viewer直觀的顯示出來，如下圖所示。注意：如果工程師需要在PDN仿真后，直接在PCB界面中調用EMV Viewer顯示分析結果，必須定義計算機的高級環(huán)境變量PDNS_3DVIEWER=1。變量名稱 PDNS_3DVIEWER變量值 14.1 直流壓降分析 完成Static IRDrop Analysis之后，直流壓降分析結果將在EMV Viewer中形象化的顯示出來，如下圖所示。4.2 直流電流分析完成Static IRDrop Analysis之后，直流電流分析結果將在EMV

20、Viewer中形象化顯示出來，如下圖所示。4.3 直流電流密度分析完成Static IRDrop Analysis之后，直流電流密度分析結果將在EMV Viewer中形象化顯示出來，如下圖所示。4.4 直流溫度分析完成Static IRDrop Analysis之后，直流電流密度分析結果將在EMV Viewer中形象化顯示出來，如下圖所示。此外，分析結果還會通過文本形式將電源平面分析詳細結果顯示出來，如下圖所示。綜合以上的分析結果，我們可以確定該直流供電系統(tǒng)壓降過大區(qū)域、電流密度過大區(qū)域、直流電流過大區(qū)域以及溫升過于明顯的區(qū)域，這樣既可幫助工程師優(yōu)化電源平面的分割方式。故此，借助Cadence

21、 PCB PDN Analysis分析工具，工程師能夠發(fā)現PCB上直流供電系統(tǒng)的潛在問題，包括：導致器件失效過大的直流壓降，過高的電流密度，過大的過孔電流，以及供電系統(tǒng)斷路等問題。這些分析結果以圖形化的形式顯示出來，協(xié)助工程師方便快捷地定位直流供電系統(tǒng)存在的各類問題。電源平面阻抗預分析PI Plane Analysis電源平面PI Plane Analysis分析為電源平面阻抗分析的預分析，即在剛分割完電源層，而不考慮走線過孔的情況下，分析該電源平面的阻抗特性。完成分析后，平面上各節(jié)點的阻抗特性曲線都將以Sigwave波形和EMV Viewer 3D方式顯示出來。在PCB PDN Analys

22、is主界面中，點擊Analyze/PI Plane Analysis命令，彈出Power Plane Impedance Analysis窗口，其中Preferences命令可以用來設置仿真參數，第2節(jié)已有講解，不再贅述。點擊Analyze命令即可開始進行電源平面的阻抗預分析，完成分析后電源平面阻抗分析結果將自動以Sigwave波形顯示出來，如下圖所示，包含了電源平面的所有器件節(jié)點（器件電源引腳）上的阻抗曲線。然后，在PCB界面中，右擊執(zhí)行3D EMViewer命令，即可調用EMV Viewer窗口打開分析結果，這樣阻抗分析結果將以3D動態(tài)形式顯示出來。 綜合以上的電源平面PI Plane A

23、nalysis預分析結果，是電源平面的頻域分析結果，工程師可以通過該仿真結果量化供電系統(tǒng)在相關頻率范圍中的阻抗特性，可以幫助工程師選擇芯片電源引腳外圍去耦電容寄生參數及其安裝位置，從而優(yōu)化電源平面的阻抗特性，提高設計可靠性、安全性。電源平面阻抗后分析驗證PI Network Analysis電源平面PI Network Analysis分析為電源平面阻抗的后仿真驗證，即在PCB設計完成后，同時考慮PCB上電源平面、走線、過孔、器件模型等電源平面相關所有參數的情況下，分析該電源平面的阻抗特性。完成后仿真分析后，平面上各節(jié)點的阻抗特性曲線同樣都將以Sigwave波形和EMV Viewer 3D方式

24、顯示出來。在在PCB PDN Analysis主界面中，點擊Model Assignment即可調用Signal Model Assignment窗口，對PCB上器件進行模型賦予PI Network Analysis電源平面的后仿真驗證的高精度需要PCB上器件的SI模型。注意：電源平面的PI Network Analysis后仿真驗證，需要疊層參數、電平、器件模型等PCB上詳細的參數及模型，才能夠保證后仿真驗證的精確性。在PCB PDN Analysis主界面中，點擊Analyze/PI Network Analysis命令，彈出Power Network Impedance Analysis

25、窗口，其中Preferences命令可以用來設置仿真參數，第2節(jié)已有講解，不再贅述。完成PDN仿真參數設置后，點擊Analyze命令，即可開始進行電源平面的阻抗后仿真驗證，完成分析后電源平面阻抗分析結果將自動以Sigwave波形顯示出來，并將具體結果以文本形式顯示詳細輸出參數，如下圖所示，包含了電源平面的所有器件節(jié)點（器件電源引腳Source/Sink）上的節(jié)點阻抗與阻抗曲線。 PCB電源平面PI Network Analysis后仿真輸出阻抗曲線后，在PCB主界面右擊執(zhí)行3D EMViewer命令，即可進入3D EMV Veiwer阻抗三維顯示界面，電源平面阻抗分析結果將會以3D方式形象化顯

26、示出來，如下圖所示。如上圖所示，電源平面3v3在PCB設計完成后，阻抗分析結果比較好，即在頻域1MHz-5GHz內電源平面阻抗連續(xù)且在設計的可接受范圍內變化，這樣電源平面才不致于影響相鄰走線層的走線阻抗特性，并能夠有效減少平面對外電磁輻射。綜合以上的后仿真驗證結果，可以幫助工程師了解該PCB設計中電源平面的阻抗特性，以此為基礎，工程師可以優(yōu)化PCB設計，以抑制電源平面的高頻噪聲，減輕電源平面電磁輻射，提高設計可靠性、安全性與電磁兼容等性能。去耦電容對阻抗的優(yōu)化7.1 去耦電容高頻電子電路設計中，芯片內部開關動作或輸出突變時，需要瞬間從電源平面抽取較大電流，該瞬時的大電流可能導致電源線平面壓降突

27、變，從而引起電源平面對自身和其它器件的干擾。為了減少這種干擾，工程師會在芯片附近設置一個儲電的“小水池”（去耦電容）以給芯片提供這種瞬間大電流。高頻電子電路中的電容的選擇不只是由電容值來決定，因為真正的電容具備多種特性，包括電容值C、寄生電感ESL及寄生電阻ESR，高頻電路中的電容其實是一個RLC電路，如下圖所示。真實的電容頻域阻抗曲線如下圖所示，選擇好頻點對應的電容參數，可以幫助工程師有效抑制該頻點的噪聲信號，那么如何選擇電容，就需要PDN Analysis幫助工程師。7.2 去耦電容的選擇 通過PDN Analysis分析，可以確定去耦電容安裝前后的電源平面上各節(jié)點的阻抗情況，用以幫助工程師確定去耦電容參數，接下來，以設計中3V3電源平面為例，以PDN Analysis電源平面分析工具為基礎，描述PDN Analysis工具是如何幫助工程師改善電源平面阻抗問題，提供