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1、Sigrity 电源完整性（PI） 解决方案,Sigrity推荐的PI频域分析流程,PCB布线文件,PowerDC进行直流分析,PowerSI进行交流分析,Broadband SPICE进行模型转换,OptimizePI进行电容优化,直流电分析：PowerDC-E,Sigrity PI仿真解决方案,不考虑直流问题 冒烟 or 冒火？,常见DC问题1：直流压降（IR Drop）,IR Drop其含义为直流工作时由直流电阻造成的电压降，而此时的压降可直接由 I * R 的乘积得到因而得名ASIC芯片的正常工作需要持续稳定的电压源 芯片厂商一般允许电压可以在一定范围内波动； 电源的波动实际是由 DC
2、损耗和 AC噪声这两部分构成的； IR Drop的容限通常为供电电压的 5%（或更低）； 如果总的容限为常数，那么降低了 DC损耗将为 AC噪声留出更大的设计余量各种设计中的不利因素使DC IR Drop问题加剧 核心供电电压持续减小：1.2V供电变得司空见惯； 器件的工作电流持续增大，使 IR Drop也有不断增大的趋势； 层数变少和高密度布线使电源网络的布线空间受到压缩和限制； 过孔周围的反焊盘使原来完整的电源平面变得支离破碎； 越来越复杂的PCB结构使非常有经验的工程师也难以靠手工完成 IR Drop的计算IR Drop是一个系统级的问题 分析中有时需要考虑封装以及多个子板的整个系统级的
3、PDN网络； 需要优化系统中每个器件的电压容限，确保他们都能正常工作； 有些高端系统的 VRM还带有电压反馈，反馈线的设计需要科学布局才能发挥最大效果,常见DC问题1：IR Drop分析的重要性,Fig1 IR Drop使系统的电压波动超标，系统不能正常工作,Fig2 各种设计中的不利因素使 IR Drop的问题加剧,常见DC问题2：电流密度,当电流通过一个狭窄区域的时候，通常会产生较大的电流密度，从而导致PCB板局部温度的升高。电源平面上最大的电流密度区域通常称之为电流热点（Hot Spot），这些电流热点有可能导致严重的热可靠性问题。设计人员应尽量使板上的电流密度分布均匀， 并且最大值尽量
4、不要超过常用的经验门限100A/mm2。,PowerDC的算法及理论基础,PowerDC基于电磁场理论求出电源/地平面上的电压分布、电流密度的矢量分布，过孔电流和电阻。全新的FEM仿真引擎在仿真精度和效率上有了很大的提升。其精细的三角形网格剖分比其他工具采用的矩形网格在计算结果和显示精度上要先进很多，另外特有的快速算法使工具即使在仿真大型PCB时也仅需数分钟的时间。,精度比对1（与理论计算相比）,上述案例为一个矩形的Vcc电源平面，VRM和Sink的电压观测点均参考同一个Reference节点。,VRM,Sink,分析：平板电阻，假设VRM的供电电压为1V，Sink的工作电流为1A，则 IR
5、Drop 1*0.068620.06862 (V)，因此Sink Voltage1-0.068620.9314 (V),仿真结果如下，Sink端得到的实际电压也为0.9314V，与理论计算的结果吻合的非常好。,精度比对2（与Lab实测相比）,应用1：分析封装的电压分布,根据 IR Drop 的分析，可以决定电源/地网络所需要的 bump，pad 和 ball 的数量； 根据 ball 的数量可以进一步的确定 Package 的大小,应用2：分析封装的平面电流密度,通常封装平面上的某些局部区域会出现相对于其他区域特别大的电流，这 种功能有助于定位最大的电流密度区域，并放置相应的电源/地的过孔。,
6、找出平面上最大的电流密度“热点”区域,应用3：分析PCB的电压分布 （Flextronics应用实例）,应用4：分析PCB的电流分布 （Flextronics应用实例）,应用5：PCB的IR Drop超标案例,IR drop target is 66mV,超标159%,电源走线太细太长，导致直流压降过大，从而引起重要器件的供电不足！,应用6：PCB的过孔电流超标案例,Hotspot identifier,下图中的黄色过孔为2个电源重叠部分的汇流孔，因此电流显得特别大一些。,应用7：PCB的电流密度超标案例,大电流密度,显示电流密度超过 5mA/mil2的部分，小于该门限的将以灰色显示,应用8：
7、最佳感应线,Layer$V1,Layer$V2,Layer$G1 Layer$G2 Layer$G3 Layer$G4 Layer$G5,应用9：3D立体显示电压和电流分布,电流密度,电压分布,PowerDC 总结 （主要功能列表）,布局布线前/后PCB或IC封装DC分析； 彩色显示PCB各层的电压分布、平面电流分布和过孔电流分布； 可仿真Lumped to Lumped，Lumped to Multiple，Multiple to Lumped以及Multiple to Multiple等各种形式的pin-to-pin电阻； 还可仿真多端口的阻抗网络，并生成DC情况下相应的S-param模型
8、和SPICE等效模型； 多子板/多封装的IR Drop分析； 流程化仿真，指导用户快速准确的完成整个仿真，而且用户可以定制自己特定的Workflow； 高效的有限元（FEM）算法无需用户设定Mesh即可得到平面上精细而平滑的每一个位置上的电压、电流值； 内置的Constraint management使仿真支持复杂设计的DRC检查； 生成所有的电压、电流结果表格，并与预先设定的Constraints作比较； 将DRC Marker反标回Allegro Layout文件。,交流分析：PowerSI,如何解决 潜在的电 源系统问 题,观察各个器件处的传输阻抗,U1,U2,U150,BOT,PI性能
9、的好坏比较频域,好的电源供电: 电源的输入阻抗较小;差的电源供电: 电源的输入阻抗有明显谐振！,不好的PI性能将带来以下问题,噪声容限变小时序容限变小数据相移/抖动EMI增大,VIH,VIL,NMH,NML,VDD,VSS,T/2 1/2fCLK,DVDD,DVSS,Signal Eye Pattern,Jitter & Skew,PD Noise,电源是如何传递的?,电源能量从电源模块（VRM）出发，经过电源分配网络（PDN），到达芯片内的电路,PDN的谐振,PDN的谐振是电源地平面设计中需要重点考虑的因素；PDN的谐振将使信号的SI性能变差；PDN的谐振将使电源地平面的PI噪声变大,PDN
10、的谐振对SI的挑战,对于上述PCB Demo板，需要发送的信号为250MHz；当把Decap全部去掉时，信号频率恰好与PDN的第一个谐振频率240MHz比较接近，此时信号波形（红色线）发生了明显的“自激”现象；当把Decap全部打开时，由于PDN在240MHz的谐振被消除，此时信号波形（蓝色线）得到了明显的改善,PDN的谐振对PI的挑战,当把Decap全部去掉时，由于PDN谐振的影响，此时VCC电源波形（红色线）发生了明显的“自激”现象；当把Decap全部打开时，由于PDN在240MHz的谐振被消除，此时VCC电源波形（蓝色线）得到了明显的改善,PDN的谐振对EMI的挑战,当把Decap全部去
11、掉时，由于PDN谐振的影响，此时全板EMI的辐射在200MHz500MHz全部超标；当把Decap全部打开时，由于PDN在240MHz的谐振被消除，全板EMI的辐射在500MHz以下均满足了FCC CLASS B的标准,Decap_disabled,Decap_enabled,电容特性,一个真实的电容包含一些重要的寄生参数，如串接电感 （ESL）和串接电阻（ESR）ESL可能会引起电容在一定频率上的谐振,L,R,C,大电解电容：470uF (232KHz),主板高频电容：100nF (26MHz),Example1：去耦电容效应 原始PDN网络的输入阻抗,mag(Z),Example1：去耦电
12、容效应 加Bulk低频电容,mag(Z),Example1：去耦电容效应 加高频电容,mag(Z),PowerSI典型应用1：电源网络的模型提取,电源/地网络的阻抗提取，研究其谐振频率以及输入阻抗 为电源/地网络的设计性能和去耦电容的放置提供依据,无去耦电容 （蓝线）,12个0508去耦电容（绿线）,24个IDC去耦电容（红线）,PowerSI典型应用2：信号网络的模型提取,信号网络的S参数提取，研究信号的插入损耗及反射系数 为单端和差分信号对的设计性能及终端匹配提供依据,单端4端口网络S11,差分信号线对S11/S12,案例1：PCB局部结构的高频模型提取,来源: Optimization
13、for 10Gbps Serdes, Delta Networks, May2010.,Up to 15GHz,案例2：PKG关键信号的模型提取,来源: Mobile Package Design and Simulations, Samsung, Mar2009.,案例3：带Power Mesh的PDN模型提取,来源: A novel methodology to handle the layout constraints for designing an optimal Power Delivery Network, Intel, Feb2009.,待研究的网格化电源,PDN性能曲线的比较
14、,案例4：IC+PKG+BRD的PDN模型提取,来源: Analysis of Entire Power Distribution System of Chip, Package and Board for High Speed IO Design, Azurewave, Oct2008.,传统的PDN全系统仿真流程,各结构对PDN性能的影响,案例5：PCB的PDN阻抗优化,来源: Power Integrity in System Design, Flextronics, May2008.,Port设置,Impedance优化,优化Input Impedance以满足Target Imped
15、ance的要求,案例6：Cdie+PKG的模型提取,来源: Study of Simultaneous Switching Noise Reduction for Microprocessor Packages by Application of High-K MIM Decoupling Capacitors, Freescale, Feb2007.,自阻和互阻； 自感和互感； Cdie对输入阻抗的影响,案例7：CMMB芯片RF与Digital信号的仿真（1）,Side-by-side Die SiP,Stacked-die SiP,CMMB芯片通常包含一块RF射频接收芯片，以及一块DSP数
16、字处理芯片。其射频部分采用高性能的RF变频模块，支持的频段范围为：50MHz 870MHz。 PSI用来分析电源的频域阻抗特性， RF信号的S参数特性， 电源与关键信号之间的互扰，关键信号与其他信号的互扰等。,案例7：CMMB芯片RF与Digital信号的仿真（2）,PowerSI仿真RF接收信号与邻近的信号网络（或电源网络）在各个频点的隔离度指标PowerSI还可仿真DSP关键差分对信号的差分性能（如上图的Diff-Diff）,RF的隔离度仿真,Digital的差分对仿真,PowerSI 总结,PowerSI是一款专业的频域仿真工具，具有以下鲜明特点：最大特色之一是，将电源网络和地网络当作非
17、理想的情况来处理，考虑的是非理想的信号返回路径； 最大特色之二是，由于采用了混合仿真引擎（包含电路求解器、电磁场求解器和传输线求解器），因此仿真效率特别高，而且能够处理尺寸特别大、规模特别复杂的系统； 能够提取PCB板级和封装级电源网络与信号网络的阻抗（Z）参数及散射（S）参数，找出关键的谐振频率点分布，为精确分析电源和信号的性能提供依据； 能够分析板上任意位置的空间波动特性，为评估电源的覆铜方式及确定去耦电容的放置位置提供依据； 能够分析PCB的本征谐振模式，为分析PCB本身的结构特性提供依据； 能够分析整板远场和近场的EMI/EMC性能，为解决板级的EMI/EMC问题提供依据； 适用于布线前和布线后的 PI仿真，包含单板或多板； 配合Sigrity公司的另一工具Broadband SPICE，可以得到PCB和封装的SPICE等效电路模型； 评估和优化去耦电容的放置位置； 评估不同的电路模型对PI 性能的影响； 评估不同电路组成部分（平面，线，通孔）之间的电磁耦合； 分析敏感信号之间的隔离度强弱，为射频芯片的封装或高灵敏度的PCB设计提供指导。,
