一、总体介绍
设计高速电路板时,信号完整性的分析、仿真是一项重要内容。除了反射、串扰以及EMI 之外,稳定可靠的电源也是设计者重点考虑的内容之一。时钟和数据信号频率的增高以及越来越密的组装,无噪声的电源分配成为了高速PCB 设计的一个挑战。当快速翻转器件同时改变状态时,通过电源分配系统的纹波噪声随频率的变化而变化。这个噪声会影响高速信号的完整性。为了确保在各个级别下良好的电源分配,电源分配阻抗必须在一个很宽的频率范围内加以控制。
EDA 仿真工具在进行信号完整性分析时,一般都是简单地假设电源处于绝对稳定状态,但随着系统设计对仿真精度的要求不断提高,迫切需要对电源实际运行情形进行分析,于是电源完整性( PowerIntegrity ,PI) 的研究分析也应运而生。从广义上说,
PI 属于信号完整性(SI) 研究范畴,而信号完整性仿真必须建立在可靠的电源完整性基础之上。
二、电源完整性设计的目标
在数字设备中,电源系统应该达到两个基本目的: ①为数字信号转换提供稳定的电压参考; ②为所有逻辑器件分配电源。
为了达到该目的,电源系统应为逻辑电路提供低阻抗的接地连接和低阻抗的电源连接,为电源和地提供低交流阻抗的通路。对于一个理想的电源,其阻抗为零,在平面任何一点的电位都是保持恒定的,然而实际的情况并非如此,而是存在很大的噪声干扰,甚至有可能影响系统的正常工作。
造成电源不稳定的根源主要在于两个方面: ①器件高速开关状态下,瞬态的交变电流过大; ②电流回路上存在的电感。
从表现形式上来看又可以分为3 类:同步开关噪声(SSN) ,有时被称为噪声,地弹(Ground Bounce) 现象也可归于此类;非理想电源阻抗影响;谐振及边缘效应。
电源平面可以看成是由很多电感和电容构成的网络,也可以看成是一个共振腔,在一定频率下,这些电容和电感会发生谐振现象,从而影响电源层的阻抗。
电源阻抗是随频率不断变化的,尤其是在并联谐振效应显著的时候,电源阻抗也随之明显增加。电源噪声的产生在很大程度上归结于非理想的电源分配系统(Power Distribution System ,PDS) 。
所谓电源分配系统,其作用就是给系统内的所有器件提供足够的电源,这些器件不但需要足够的功率消耗,同时对电源的平稳性也有一定的要求。大部分数字电路器件对电源波动的要求在正常电压的±5 %范围之内。电源之所以波动,是因为实际的电源平面总是存在着阻抗,这样,在瞬间电流通过的时候,就会产生一定的电压降和电压摆动。为了保证每个器件始终都能得到正常的电源供应,就需要对电源的阻抗进行控制,也就是尽可能降低其阻抗。
随着电源电压不断减小,瞬间电流不断增大,所允许的最大电源阻抗也大大降低。电源完整性的设计目标即是在一定的频率范围内,控制电源阻抗,使之低于目标阻抗。
在设计电源阻抗的时候,要注意频率的影响。电路板的工作频率至少是最高时钟信号频率的
2 倍,因为在时钟的上升和下降沿,电源系统上都会产生瞬间电流的变化。
高速电路中,基本上都是采用了大面积的铜皮层作为低阻抗的电源分配系统。电源层本身的低阻抗还是不能满足设计的要求,需要考虑的问题还很多,比如,芯片封装中的电源管脚,连接器的接口,以及高频下的谐振现象等,这些都可能会造成电源阻抗的显著增加。解决这些问题的最简单也最有效的方法就是大量使用去耦电容,电源完整性设计的重点即在如何合理的选择和放置这些电容。多层板电源层在工作频宽内必须有足够低的平面阻抗,使电源能及时供应组件所需瞬间电流以维持电压稳定。凭借软件协助,可以快速决定摆放电容的位置、容值与数量,减少试验出错所浪费的金钱与时间。
三、ALLEGRO PCB PI 简介及仿真流程
PI 是cadence 公司软件Allegro 中的一个功能模块。它可以对PCB 电源分配系统进行建模和分析。PI 基于偏置电压,纹波电压(噪声容限) 和最大动态电流来计算电源平面的目标阻抗。PI 对电源平面结构进行建模,综合去耦电容的数量,并分析板内去耦电容位置的物理效应。SPI 具有友好的向导,根据向导就可以轻松完成设置,其流程包括:
① 设置板级的分析数据库。使用设置向导来逐步的建立电源完整性分析所需要的板级数据库,本阶段任务有:创建并导入板框,明确板子的层叠关系,给平面加上DC 电压,匹配电源平面对,选择去耦电容等。在仿真时,如果有没有设置的项,或者设置不合适的项目,则仿真不能进行;
②定义目标阻抗。根据设计要求确定电源平面的噪声容限( Ripple tolerance ) 、最差动态电流（Max. delta current) ,软件自动计算出目标阻抗;
③进行单结点分析验证并优化电容选择。单结点仿真可以得到维持目标阻抗所需要的电容。在单结点仿真时,电源平面分析是在理想情况下进行的,去耦电容虽被考虑,但它们并没有进行布局。
④进行多节点分析并优化布局。单节点仿真,可以得到维持目标阻抗需要的去耦电容的容值与数量,此时,软件没有考虑电容的布局。为了获得更精确的结果,应该布好去耦电容,噪声源以及VRM,然后在整个频率范围内进行多节点仿真。在多节点仿真时,PI 首先将电源平面分隔成用户定义的网格,并对每一个网格进行建模。然后即可放置去耦电容、电压调节模块VRM和噪声源。它们都与具体的网格点连接起来, PI 将产生每一个节点的频率- 阻抗仿真波形。
四、电源完整性设计总结
在数字设计领域,时钟频率的急剧提高,超大规模高速芯片的应用,芯片的功耗越来越大,而且供电电压却越来越低,由此导致的信号完整性问题和电源完整性问题,正是高速电路设计中要解决的最重要问题。