Cadence-PDN电源完整性分析

1、精选优质文档-倾情为你奉上精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业专心-专注-专业精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业Cadence PDN电源平面完整性分析孙海峰随着超大规模集成电路工艺的发展，芯片工作电压越来越低，而工作速度越来越快，功耗越来越大，单板的密度也越来越高，因此对电源供应系统在整个工作频带内的稳定性提出了更高的要求。电源完整性设计的水平直接影响着系统的性能，如整机可靠性，信噪比与误码率，及EMI/EMC等重要指标。板级电源通道阻抗过高和同步开关噪声SSN过大会带来严重的电源完整性问题，这些会给器件及系统工作稳定性带来致命的影响。PI设计就是通过合理的平面电容、分立电容、

2、平面分割应用确保板级电源通道阻抗满足要求，确保板级电源质量符合器件及产品要求，确保信号质量及器件、产品稳定工作。Cadence PCB PDN analysis电源平面分析主要可以解决以下几个问题：板级电源通道阻抗仿真分析，在充分利用平面电容的基础上，通过仿真分析确定旁路电容的数量、种类、位置等，以确保板级电源通道阻抗满足器件稳定工作要求。板级直流压降仿真分析，确保板级电源通道满足器件的压降限制要求。板级谐振分析，避免板级谐振对电源质量及EMI的致命影响等。那么Cadence PCB PDN analysis如何对PCB进行电源平面完整性的分析？接下来，我将以一个3v3如下图所示的电源平面为例

3、，来进行该平面的电源平面分析。对图中3v3电源平面进行完整性分析，具体步骤将作详细解析。在对该电源平面进行分析之前，我们需要首先确定PCB参数的精确，如：电源平面电平Identify DC Nets、PCB叠层参数Cross-Section等，这些参数都必须和PCB板厂沟通（板厂对叠层参数生产能力不同），在此基础上精确参数方能得到精确的分析结果。这些参数也可以在PDN Analysis分析界面上点击Identify DC Nets，Cross-Section来调整优化。认识PCB PDN analysis分析界面调用Allegro PCB PDN Option或者Allegro SI-GXL的

4、license打开PCB设计分析界面，然后在该界面中执行Analyze/PDN Analysis命令即可打开PDN分析界面。其中主要有三个选项卡Power and Ground用以设置需要分析的电源平面和地贿赂平面并相关参数设置；Decoupling Capacitors用以设置PCB电源平面上应用的去耦电容参数；Components and Ports用以设定PCB中应用该电源平面的相关器件的激励端（Source）和接收端（Sink），下面将详细说明。Power and Ground选项卡如下图所示：其中点击Select DC Nets将弹出电源、地网络列表，从中我们来选择需要分析的电源网络

5、（3v3）以及对应的地回路网络（0），如下图所示，这里需要注意：必须有对应的地回路网络，没有回路，将无法进行分析。选择好待分析电源平面后，我们需要定义相关的分析参数，如下面的介绍。Ripple：允许的电源平面纹波极限，典型值2.5%；MAX. Delta Current：电源平面允许的最大极限电流；Target Impedance：电源平面目标阻抗电源平面电压*纹波比例/平面极限电流，即Zmax=（Vdd*Ripple）/Imax，Imax=50%*MAX Delta Current（留有余量）；MAX.DC IRDROP：电源平面允许的最大直流压降值，压降超过该值，PDN分析将会报警；Cur

6、rent THold：电流阀值，电流值超过界限将会报警电源供电的器件参数有该限值；Density THold：电流密度限值，电流密度超过该值即会报警由器件参数中电流密度限值决定。Decoupling Capacitors选项卡如下图所示：在Configure decoupling capacitors区域选择待分析电源网络，然后在下面的电容参数区域，可以对设计中的去耦电容添加电容RLC参数，也可以在设计中添加不同频点的去耦电容，以提高电源平面的完整性。1.2.1 添加去耦电容模型库在以上窗口中点击Library，即可指定设计中应用电容模型库，包括：选择当前设计中的去耦电容模型库；添加电容模型库

7、其中电容的频率参数直观的显示出来如下图所示。1.2.2 添加去耦电容模型参数选择电源平面中应用的去耦电容，然后点击Add Model，其中需要添加电容的R/L/C模型参数如下图所示。完成电容模型参数设定后，如果需要修改参数，可以点击Edit Model以编辑优化去耦电容R/L/C参数。对于上图所示的电容模型参数，点击Plot Graph，即可在完成模型参数设置后实时看到准确的电容频域曲线，即可了解电容对哪个频段的杂波抑制效果最好去耦电容频率特性由电容值Capacitance、特征阻抗ESR、特征电感ESL及安装寄生电感Mounted Inductance等参数决定。由上图所示，该电容模型将主要

8、用以抑制8.76MHz频率的杂波激励，以确保3v3电源平面的完整性和阻抗连续性。Components and Ports选项卡如下图所示：在Components and Ports选项卡中，主要设置电源平面的返回路径、电源平面分析的激励源端（Source电源接入引脚）以及电源平面接收端（Sink电源使用的器件Pin）Source为电源平面接入Pin（电源转换端接入端），Sink为使用该电源的器件Pin。其中Sink的选择，不需要选择全部的电源使用Pin为分析Sink端，只需要着重分析该电源使用频率最高的器件。 1.3.1 电源平面激励端接收端设置 如上图所示，设置U12.4为Source端（U

9、12为电源转换芯片，实现10v-3v转换，U12.4为3v电平输出端），U15.AA5U15.W11设置为Sink端（U15为电源3v3平面主要使用芯片，AA5W11为电源3v3平面的使用Pins），设置完成后，U15上电源使用Pin的允许电流为Current THold/电源使用Pin的数量（分析时默认情况电流为平均分布），如下图所示。Sink电源平面接收端（器件电源使用引脚）的电流分析阈值为1.3.2 电源平面返回路径设置在Components and Ports选项卡中，点击右上角的Return Path在弹出的Return Path Configuration对话框中可以设置电源的返回

10、平面，即对应的返回地平面，如下图所示，指定电源引脚Power Pins对应器件Ground Pins的地网络即可完成所有电源Pin的电流返回路径（对应地Pin）设置。电源平面仿真参数设置电源平面的参数设置，包括待分析电源平面，电源叠层参数，电源平面去耦电容参数，电源平面返回平面，以及激励端、接收端等参数的设置。完成这些参数设置后，在真正进行电源平面的仿真分析前，我们必须完成电源完整性分析的仿真参数设定。在PDN Analysis主分析界面中，点击Analyze-Mesh/Static IRDrop Analysis/PI Plane Analysis/PI Network Analysis命令

11、都可以打开电源平面仿真参数设置界面，如下图所示。在Power/Ground Plane的仿真参数设置界面中，点击Preferences弹出Preferences窗口，该界面即可用以设置电源平面仿真各参数，包括Mesh网格参数、仿真叠层参数、分析频域范围、分析温度参数等各类PDN Analysis仿真参数，改善这些参数可以优化电源平面分析的准确度、仿真精度以及仿真速度。2.1 Preferences/General选项卡参数设置其中参数设置如下：Default参数仿真默认参数，即PDN Analysis主界面的参数设置，不再赘述；Target impedance shape（Default）参数

12、电源平面目标阻抗曲线，包括平面阻抗曲线的拐点（Corner Impedance）、阻抗变化后的斜率（Slope）及其倍增量（Multiplier），即目标阻抗某范围内是保持不变的，超过该拐角频率后目标阻抗将以某个斜率值呈线性变化的趋势；Decoupling capacitor参数去耦电容参数，包括电容安装后的寄生电感（Mounted inductance），以及去耦电容的去耦有效半径（0.005H）。2.2 Preferences/Simulation仿真范围设置其中电源平面仿真参数如下：Frequency Domain频域参数电源平面分析的频率分析范围，包括电源平面分析的起始频率（Lower

13、 Frequency）、终止频率（Upper Frequency）、频率扫描分析方式（Sweep Scale）以及频率分析次数（Sweep Number）；Time Domain时间参数电源平面分析的时间参数，包括仿真持续时间（Duration Time），以及时间分辨率，即分析的时间采样率（Resolution Time）；Color Legend颜色参数电源平面分析的颜色参数，可以设置分析结果显示的颜色设置如下图所示，设置完成后平面分析结果将以这个颜色参数在界面中显示分析的电压、电流、温度、电流密度以及平面阻抗等电压平面性能。注意：PDN Analysis电源平面分析一般在1MHz-5GH

14、z之间，频率小于1MHz或大于5GHz的超低频或超高频时，电源平面分析就需要IC器件的内部分析模型，与PDN进行协同分析。2.3 Preferences/Field Solver仿真求解算法设置其中电源平面分析的算法参数如下：Mesh InformationRectangle参数网格化参数设置，包括网格化尺寸，网格化的平面范围（Scope）等平面网格化参数；Field Solver Option算法参数电源平面分析的算法选择设置，一般选择默认全波分析算法既可（Full Wave Model）；Ambient Temperature温度参数环境温度设置，即默认的分析温度；Surface Roug

15、hness粗糙度参数PCB表面曾粗糙度参数，板厂会有对应粗糙度参数，若不考虑PCB表面粗糙度，设置为0即可。注意：Mesh网格化尺寸参数，有Fine/Regular/Coarse/Custom四种参数，其决定的电源平面的网格尺寸分别为1/20的波长（Fine），1/10的波长（Regular），1/5的波长（Coarse），波长=3e8/Freq。Mesh网格化更精确，电源平面分析就更精确，但分析速度较慢；网格化粗糙，电源平面分析随之粗糙，但分析速度较快；网格化标准，电源平面分析精度与速度平衡。我们在做电源平面分析的时候，需要在分析精度和分析速度之间作平衡。 电源平面网格化（Mesh）我们需要

16、给电源平面进行网格化分析，即将电源平面按照规定的参数尺寸分割为密集的网格形式，以便于后期的电源平面压降、电流、阻抗等仿真分析电源平面分析是以网格为基础的，电源平面网格化的精度决定着分析的精度与速度。在PCB PDN Analysis分析主界面中，点击Analyze/Mesh命令，进入Power/Ground Plane Meshing网格化分析界面，如下图所示，点击Mesh命令软件即可对电源平面进行Mesh网格化分析。电源平面Mesh网格化分析完成之后，在PCB界面Options窗口，选择电源平面所在叠层，其网格化分析结果将会在PCB上形象化的显示。注意：显示电源平面Mesh分析结果时，在Vi

17、sibility窗口中关闭可视叠层，PDN Mesh网格化分析显示的电源平面不属于某个叠层，是单独显示的。 QUOTE 上图所示即为电源平面网格化Mesh分析后的平面显示结果，它将电源平面细化为无数的网格（网格尺寸在Preferences/Field Solver/Mesh Information中设置），PDN电源平面的其他压降、电流、电流密度、阻抗、温度等分析都将以此网格为基础做详细的分析。电源平面静态压降分析IR Drop电源平面的静态压降分析，即直流压降分析，可以将电源平面的直流电压状况以图形化、形象化的方式显示出来，可帮助工程师检验该电源平面分割方式（该供电系统）是否能够提供足够的直

18、流信号用于驱动信号有效传输（器件能否正常工作）。在PCB PDN Analysis主分析界面中，点击Analyze/Static IRDrop Analysis命令，如下图所示，并在弹出的Static IRDrop Analysis窗口中点击Preferences，以完成仿真参数设置，具体参数设置前面已有介绍，不再赘述。然后在Static IRDrop Analysis分析界面，点击Analyze命令，即可开始电源平面的静态压降分析，分析完成后，直流压降、电流、电流密度、温度等平面分析结果都将在PCB界面中显示出来。在PCB界面中，右击可以选择显示结果的类型，包括Mesh网格显示、Voltag

19、e直流压降显示、Density电流密度显示、TempRise温升显示灯结果显示，此外结果还可以通过3D EMV Viewer直观的显示出来，如下图所示。注意：如果工程师需要在PDN仿真后，直接在PCB界面中调用EMV Viewer显示分析结果，必须定义计算机的高级环境变量PDNS_3DVIEWER=1。变量名称 PDNS_3DVIEWER变量值 14.1 直流压降分析 完成Static IRDrop Analysis之后，直流压降分析结果将在EMV Viewer中形象化的显示出来，如下图所示。4.2 直流电流分析完成Static IRDrop Analysis之后，直流电流分析结果将在EMV

20、Viewer中形象化显示出来，如下图所示。4.3 直流电流密度分析完成Static IRDrop Analysis之后，直流电流密度分析结果将在EMV Viewer中形象化显示出来，如下图所示。4.4 直流温度分析完成Static IRDrop Analysis之后，直流电流密度分析结果将在EMV Viewer中形象化显示出来，如下图所示。此外，分析结果还会通过文本形式将电源平面分析详细结果显示出来，如下图所示。综合以上的分析结果，我们可以确定该直流供电系统压降过大区域、电流密度过大区域、直流电流过大区域以及温升过于明显的区域，这样既可帮助工程师优化电源平面的分割方式。故此，借助Cadence

21、 PCB PDN Analysis分析工具，工程师能够发现PCB上直流供电系统的潜在问题，包括：导致器件失效过大的直流压降，过高的电流密度，过大的过孔电流，以及供电系统断路等问题。这些分析结果以图形化的形式显示出来，协助工程师方便快捷地定位直流供电系统存在的各类问题。电源平面阻抗预分析PI Plane Analysis电源平面PI Plane Analysis分析为电源平面阻抗分析的预分析，即在刚分割完电源层，而不考虑走线过孔的情况下，分析该电源平面的阻抗特性。完成分析后，平面上各节点的阻抗特性曲线都将以Sigwave波形和EMV Viewer 3D方式显示出来。在PCB PDN Analys

22、is主界面中，点击Analyze/PI Plane Analysis命令，弹出Power Plane Impedance Analysis窗口，其中Preferences命令可以用来设置仿真参数，第2节已有讲解，不再赘述。点击Analyze命令即可开始进行电源平面的阻抗预分析，完成分析后电源平面阻抗分析结果将自动以Sigwave波形显示出来，如下图所示，包含了电源平面的所有器件节点（器件电源引脚）上的阻抗曲线。然后，在PCB界面中，右击执行3D EMViewer命令，即可调用EMV Viewer窗口打开分析结果，这样阻抗分析结果将以3D动态形式显示出来。 综合以上的电源平面PI Plane A

23、nalysis预分析结果，是电源平面的频域分析结果，工程师可以通过该仿真结果量化供电系统在相关频率范围中的阻抗特性，可以帮助工程师选择芯片电源引脚外围去耦电容寄生参数及其安装位置，从而优化电源平面的阻抗特性，提高设计可靠性、安全性。电源平面阻抗后分析验证PI Network Analysis电源平面PI Network Analysis分析为电源平面阻抗的后仿真验证，即在PCB设计完成后，同时考虑PCB上电源平面、走线、过孔、器件模型等电源平面相关所有参数的情况下，分析该电源平面的阻抗特性。完成后仿真分析后，平面上各节点的阻抗特性曲线同样都将以Sigwave波形和EMV Viewer 3D方式

24、显示出来。在在PCB PDN Analysis主界面中，点击Model Assignment即可调用Signal Model Assignment窗口，对PCB上器件进行模型赋予PI Network Analysis电源平面的后仿真验证的高精度需要PCB上器件的SI模型。注意：电源平面的PI Network Analysis后仿真验证，需要叠层参数、电平、器件模型等PCB上详细的参数及模型，才能够保证后仿真验证的精确性。在PCB PDN Analysis主界面中，点击Analyze/PI Network Analysis命令，弹出Power Network Impedance Analysis

25、窗口，其中Preferences命令可以用来设置仿真参数，第2节已有讲解，不再赘述。完成PDN仿真参数设置后，点击Analyze命令，即可开始进行电源平面的阻抗后仿真验证，完成分析后电源平面阻抗分析结果将自动以Sigwave波形显示出来，并将具体结果以文本形式显示详细输出参数，如下图所示，包含了电源平面的所有器件节点（器件电源引脚Source/Sink）上的节点阻抗与阻抗曲线。 PCB电源平面PI Network Analysis后仿真输出阻抗曲线后，在PCB主界面右击执行3D EMViewer命令，即可进入3D EMV Veiwer阻抗三维显示界面，电源平面阻抗分析结果将会以3D方式形象化显

26、示出来，如下图所示。如上图所示，电源平面3v3在PCB设计完成后，阻抗分析结果比较好，即在频域1MHz-5GHz内电源平面阻抗连续且在设计的可接受范围内变化，这样电源平面才不致于影响相邻走线层的走线阻抗特性，并能够有效减少平面对外电磁辐射。综合以上的后仿真验证结果，可以帮助工程师了解该PCB设计中电源平面的阻抗特性，以此为基础，工程师可以优化PCB设计，以抑制电源平面的高频噪声，减轻电源平面电磁辐射，提高设计可靠性、安全性与电磁兼容等性能。去耦电容对阻抗的优化7.1 去耦电容高频电子电路设计中，芯片内部开关动作或输出突变时，需要瞬间从电源平面抽取较大电流，该瞬时的大电流可能导致电源线平面压降突

27、变，从而引起电源平面对自身和其它器件的干扰。为了减少这种干扰，工程师会在芯片附近设置一个储电的“小水池”（去耦电容）以给芯片提供这种瞬间大电流。高频电子电路中的电容的选择不只是由电容值来决定，因为真正的电容具备多种特性，包括电容值C、寄生电感ESL及寄生电阻ESR，高频电路中的电容其实是一个RLC电路，如下图所示。真实的电容频域阻抗曲线如下图所示，选择好频点对应的电容参数，可以帮助工程师有效抑制该频点的噪声信号，那么如何选择电容，就需要PDN Analysis帮助工程师。7.2 去耦电容的选择 通过PDN Analysis分析，可以确定去耦电容安装前后的电源平面上各节点的阻抗情况，用以帮助工程师确定去耦电容参数，接下来，以设计中3V3电源平面为例，以PDN Analysis电源平面分析工具为基础，描述PDN Analysis工具是如何帮助工程师改善电源平面阻抗问题，提供