基于HyperLynx的数字电路设计综合仿真方法

随着IC制造工艺的迅速发展，以DSP、FPGA为代表的数字芯片的计算处理能力和数据传输能力得到了大幅提升，同时，也给高速数字电路设计带来了许多新的问题。芯片特征尺寸的减小、工作主频和集成度的提高以及特殊的应用环境，使得数字电路系统电路设计时信号完整性(SI)分析、系统散热设计、电磁兼容性(EMC)等问题不容忽视。近年来，借助EDA仿真软件在整个电路设计过程中进行电、热等方面综合仿真的设计方法，逐步替代了依靠设计者经验和参考设计的传统方法，大大缩短了设计周期，并显著提高了设计成功率。目前，主要芯片厂商都推出了相关芯片的仿真模型及仿真软件，EDA供应商也提供了功能强大的电路设计仿真工具。

HyperLynx正是一种针对整个系统电路设计的综合仿真分析工具，包含多个不同功能的仿真模块，能够出色地完成信号完整性、热分析、EMC等各项仿真任务，确保系统在设计阶段就能预测和消除可能存在的问题。
本文结合HyperLynx仿真软件，以雷达信号处理机为例，提出了一种数字电路设计的综合仿真方法，详细分析了HyperLynx中各仿真模块的功用、使用方法及仿真结果，为数字电路设计提供了借鉴。多次的工程实践表明，在电路设计过程中合理运用HyperLynx进行综合仿真能够极大提高电路设计的成功率。

1 HyperLynx综合仿真流程

1.1 HyperLynx仿真软件介绍

HyperLynx是MENTOR公司针对原理图仿真验证、信号完整性和电源完整性(PI)分析、热仿真分析等问题提供的综合仿真分析工具，包括Analog、LineSim、BoardSim和Thermal四个模块。在系统电路设计过程中综合运用各仿真模块，可以为设计提出综合性的指导和反馈建议，确保系统在设计阶段就能达到预期要求。

Analog模块为原理图验证提供了数模混合电路仿真的功能，可以对原理图中各点的静态特性、工作波形及频域特性进行仿真计算，还可以通过蒙特卡洛（Mente Carlo）分析或参数扫描（Parameter Sweep）分析，测试电路中元器件的参数在一定范围内的变化对输出波形的影响，为电路参数的优化提供参考。

LineSim和BoardSim主要针对SI分析和PI分析，分别用于系统电路设计的Pre-layout（布线前）和Post-layout（布线后）仿真阶段。在PI分析中，可以得到系统多电源区域的划分策略以及电源退耦和滤波电容的各种参数，为电源设计及噪声分析等复杂问题提供了指导。而进行SI分析时，通过LineSim和BoardSim的交互式使用，可以指导PCB叠层设计及实际的布局布线，分析信号的传输特性和串扰，保证系统电路高速的传输特性。此外，BoardSim还可进行多板仿真和接插件仿真，从系统整体角度考虑串扰强度、阻抗连续性、整个信号网络的完整性及EMC等问题。

热仿真模块Thermal则可直接将Layout文件导入到软件中，这样就解决了由于系统建模以及缺乏准确的输入参数和边界条件所导致的分析误差较大的问题[1]。同时，Thermal还可以识别超过限值的元件和板温度并给出整板的彩色温度梯度图，进而分析通过不同的散热设计对于系统散热性能的改善。

运用HyperLynx的各仿真模块可以对整个电路设计过程中出现的主要问题进行仿真分析。本文主要介绍运用LineSim、BoardSim和Thermal模块在数字电路设计中进行SI仿真、热仿真和EMC仿真的主要流程及仿真结果。

1.2 综合仿真流程

电子系统设计最重要的两个因素即系统的功能性和稳定性。数字电路系统不仅要有丰富的设计功能，更重要的是在不同的工作环境下要有稳定的工作状态，这对电路设计提出了严格的约束和极高的要求。首先，芯片的主频越来越高，PCB布线密度越来越大，使得信号完整性等高速数字仿真问题显得格外重要；其次，目前在数字电路系统的应用中，系统大多是封闭的并且安装紧密，热量的往复很大。以往设计中热仿真分析未引起足够的重视，导致系统在实际应用中不正常工作甚至崩溃，所以良好的导热、散热设计日渐成为影响系统设计的一个关键性的问题；第三，传统的在PCB设计完成后才能暴露出的系统EMC与电磁辐射（EMI）等问题，将导致整个系统需要进行重复性设计，因此，在电路设计阶段进行EMC与EMI分析成为提高系统设计效率的一个不容忽视的问题。

针对以上数字电路设计中常见的几个问题，图1给出了运用HyperLynx进行综合仿真的流程图。仿真过程一般分以下几个环节：

(1)原理图确定之后，根据系统设计需求及相关的器件资料确定仿真模型和仿真参数，在Pre-layout仿真中通过端接、时序、串扰等仿真确定电路布局布线规则、模块间的拓扑关系、信号端接策略等。
(2)在完成布局布线后，通过Post-layout仿真生成整板的信号完整性报告，对PCB进行局部修改，并对关键信号进行阻抗连续性、串扰等仿真。
(3)对系统整体建模（包括安装腔体），设置不同的工作环境条件，完成热仿真，指导系统的散热设计。
(4)结合应用背景对系统整体进行EMC仿真。