Allegro PCB设计PDN仿真简介（上）

摘要：由于产品的低功耗的要求，印刷上的电源分布网络设计已经成为当下最热门的话题之一。与高速通道设计一样，PDN 设计也已成为PCB 设计中的一个关键技术。 因此，在PCB设计流程中电源完整性（PI）分析像信号完整性分析一样变得越来越重要。由于设计选择以及分析技术的多样性，复杂电路的PDN 设计面临着许多挑战。过去的SI 分析大都是后验证分析，但如今已经演变为前仿真规则驱动的设计方法。这种设计方法避免了后验证方法中不断重复的分析-修正-再分析的循环过程。Allegro 提供了一种全新的PDN 分析方法。这种方法采用了传输线法（TLM）和矩量法（MOM）的混合技术，它与设计环境紧密结合在一起从而使PDN设计和分析能在同一环境中进行而不需要进行数据转换或设计环境切换。大约二十年前，微处理器工作在数兆赫兹的时钟频率下，5V 供电逻辑使得百毫伏量级的噪声也不会引起逻辑错误。只需要保证每个电源管脚安放一个去耦电容就可以满足芯片对电源的需求，电磁辐射也不是设计人员需要重点考虑的问题。系统的电源设计没有任何挑战，设计人员只需要凭借经验和遵循简单的规则就可以完成电源系统的设计。随着元件时钟频率的不断提升以及更多功能集成于芯片内部，芯片的功耗在不断增加，同时芯片制造工艺的进步使得芯片供电电压在不断下降，而且，芯片集成度的增加导致同一个芯片需要更多的电源种类，各种电源域增加了电源系统的设计难度。同时，芯片本身对电源波动的敏感度也在增加，直接减少了电源系统的设计裕量。保证系统电源性能的电源完整性设计（PI）像信号完整性设计以及电磁兼容性设计一样，逐渐成为业界所关注的焦点。电源完整性设计方法也由过去凭借产品设计人员经验和规则的定性设计方法逐渐转变为利用各种仿真，测量工具进行系统的仿真，测量的定量式的设计方法。本文借助于Allegro PCB SI 的电源分布网络（PDN）仿真分析功能，提出了一种PDN 的仿真设计流程，并通过实际测量验证了仿真结果的准确性。2. 电源分布网络设计流程芯片对PDN 的基本要求是：在已知芯片电流波动的情况下，为给芯片提供一个相对稳定的电源，PDN 的阻抗需要在从直流到某个最高频率之间的整个频带上低于某个目标值。为实现这一目标，PDN 依靠电源模（VRM），板上去耦电容，PCB 电源/地平面间分布电容，封装上电容以及片内电容等多个功能元件实现整个频段内的低阻抗。PDN 不仅要为芯片提供干净的电源，通常还要作为信号的参考平面/路径，此外，还应尽量减少电源/地平面的噪声，进而减少电源网络的EMI 辐射。正是由于PDN 的多种功能，增加了PDN 的设计难度：1. 不断增加的各种电源种类对电源平面的划分提出了挑战；2. 电源噪声的不确定性和多样性为电源拓扑提出了更高的要求；3. 芯片对电源需求不准确以及数据不完备为电源设计增加了障碍。正是由于当前PDN 功能的多样性带来了PDN 设计的复杂性，传统的简单的依靠经验公式和规则的定性的设计方法已经不能满足复杂小裕量PDN 的设计要求。为保证PDN 设计的质量，需要一套完整而高效的设计流程确保在产品设计的各个阶段快速而准确的考量PDN 设计的有效性，不可避免的需要借助于各种仿真、测量工具定量的评价PDN 的性能。2.1 PDN 设计流程与信号完整性仿真设计流程类似，PI 设计流程也可以分为前仿真，后仿真，测量验证三个阶段。如图1 所示：图1 PDN 设计流程前仿真的主要任务是：1. 叠层设计；2. 电源/地层铜厚选择；3. 去耦电容数量、容值以及位置选择；4. 过孔尺寸及出线方式选择；5. VRM 感应线位置优化。后仿真的主要任务是：1. 去耦电容优化；2. 定位过细的“颈线”；3. 定位电流分布的热点。是通过实际的上板测量验证仿真的准确性。贯穿于PI 设计流程的PI 仿真分析的主要方法包括：直流压降分析、交流分析以及瞬态分析。下面结合使用Allegro PCB SI 进行PDN 分析的实际案例对这几种分析方法进行介绍。