高速设计中的信号完整性和电源完整性分析

电源完整性仿真

在电源完整性分析中，主要仿真类型有直流压降分析、去耦分析和噪声分析。直流压降分析包括对PCB上复杂走线和平面形状的分析，可用于确定由于铜的电阻将损失多少电压。此外，还可以使用直流压降分析来确定高电流密度区域。实际上，可以使用热仿真器对它们进行协同仿真，以查看热效应。幸运的是，针对直流压降问题的解决方案非常简单：添加更多的金属。这些额外金属可能会采用更宽和/或更厚的走线和平面形状、额外平面或额外过孔。


图3：显示PI/热协同仿真中“热点”的电流密度和温度图。

上面简要讨论的去耦分析旨在确定和最大限度减少电路板不同IC位置上电源与地面之间的阻抗。去耦分析通常会驱动PDN中所用电容器的值、类型和数量的变化。因此，它需要包括寄生电感和电阻的电容器模型。它还会驱动电容器安装方式的变化和/或电路板叠层的变化，以满足低阻抗要求。

噪声分析的类型可能会有所不同。它们可以包括围绕电路板传播的、来自IC电源管脚中的噪声，可通过去耦电容器对其进行控制。通过噪声分析，可以调查噪声如何从一个过孔耦合到另一个过孔，可以对同步开关噪声进行分析。在许多情况下，这种噪声是由信号切换(从1到0及从0到1)引起的，因此它与信号完整性密切相关。但在所有情况下，这些电源完整性分析的最终目标是驱动PDN的变化：电源/地面平面对、走线、电容器和过孔。

表 1. 信号完整性和电源完整性之间的差异


PDN不仅充当为IC提供电流的手段，还用作信号的返回电流路径。信号完整性与电源完整性之间的大量交叉发生在过孔中。对于穿过过孔的单端信号来说，PDN充当该信号的返回电流路径。附近的过孔或电容器为返回电流提供路径，以使其从一个平面移至下一个平面。因此，PDN实际上决定了该单端过孔的阻抗和延迟特性，并且对于更快的单端信号(如DDR3和DDR4)的精确建模来说是至关重要的。使用这一相同的SI/PI组合过孔模型，可以分析从一个过孔到下一个过孔的耦合，以及信号通过过孔到PDN的耦合。

同样地，PDN对于最大限度减少可能由多个信号切换(通常称为SSN)同时引起的噪声来说是至关重要的。如果在IC电源管脚中的PDN阻抗太高，当所有驱动器同时切换时，它们的切换电流将产生电压，而该电压可在信号本身中观察到。可通过利用去耦分析设计一个出色的低阻抗PDN来消除此问题。全面仿真此问题以查看对信号的影响，要求能够同时执行信号完整性分析和电源完整性分析。驱动器的SPICE模型传统上用于执行此类分析，但更新的IBIS模型也具有相应的基础架构，以包括在查找信号完整性时的PDN影响。

信号完整性和电源完整性的分析对于成功的高速数字设计来说是至关重要的。它们为需要进行哪些设计更改提供了有价值的见解。此外，随着建模方法和计算能力的改善，如果能够同时仿真这两种类型的完整性，则会清楚地了解电路的实际行为、设计中真正存在的利润以及它们如何实现最佳可能性能。

作者简介

Patrick Carrier在信号及电源完整性领域拥有超过12年的经验。他曾在Dell担任了5年的信号完整性工程师，之后于2005年9月加入Mentor，成为一名高速PCB分析工具的技术营销工程师。