1、Sigrity Confidential. Please do not distribute without Sigrity approval.Sigrity 交流分析（ PowerSI）基础交流分析（ ）基础2010-06-212Sigrity ConfidentialAgenda 1: PI分析理论基础 2: PowerSI 的主要特色和典型案例3Sigrity Confidential1. PI 分析理论基础4Sigrity ConfidentialPCB系统典型的电分析 信号完整性 Signal Integrity 将信号从芯片内忠实的、以最短的时间发送到主板 电源完整性 Power
2、Integrity 为芯片内的有源器件提供一个干净的参考电压 电磁兼容 EMI/EMC 辐射到外部环境的电磁能量最小化5Sigrity ConfidentialPI性能的好坏比较时域9 好的电源供电 : 电源的电压波动较小 ;9 差的电源供电 : 电源的电压波动相对较大！6Sigrity ConfidentialPI性能的好坏比较频域9 好的电源供电 : 电源的输入阻抗较小 ;9 差的电源供电 : 电源的输入阻抗有明显谐振！7Sigrity Confidential不好的 PI性能将带来以下问题 噪声容限变小 时序容限变小 数据相移/抖动 EMI增大0 50 100 1504.64.855.2
3、5.4Time nsecPower Line Fluctuation V840-mV50 100 150 200 250 3000102030Frequency MHzRadiated Emission dBuV/m32.1dBV/m55.11MHzVIHVILNMHNMLVDDVSST/21/2fCLKVDDVSSSignal Eye PatternJitter & SkewPD Noise8Sigrity Confidential电源是如何传递的 ? 电源能量从电源模块（VRM ）出发，经过电源分配网络（PDN），到达芯片内的电路9Sigrity ConfidentialPDN的谐振 PD
4、N的谐振是电源地平面设计中需要重点考虑的因素；的谐振是电源地平面设计中需要重点考虑的因素； PDN的谐振将使信号的的谐振将使信号的 SI性能变差；性能变差； PDN的谐振将使电源地平面的的谐振将使电源地平面的 PI噪声变大噪声变大10Sigrity ConfidentialPDN的谐振对 SI的挑战 对于上述对于上述 PCB Demo板，需要发送的信号为板，需要发送的信号为 250MHz； 当把当把 Decap全部去掉时，信号频率恰好与全部去掉时，信号频率恰好与 PDN的第一个谐振频率的第一个谐振频率 240MHz比较接近，此时信号波形（红色线）发生了明显的比较接近，此时信号波形（红色线）发生
5、了明显的 “自激自激 ”现象；现象； 当把当把 Decap全部打开时，由于全部打开时，由于 PDN在在 240MHz的谐振被消除，此时信号波的谐振被消除，此时信号波形（蓝色线）得到了明显的改善形（蓝色线）得到了明显的改善11Sigrity ConfidentialPDN的谐振对 PI的挑战 当把当把 Decap全部去掉时，由于全部去掉时，由于 PDN谐振的影响，此时谐振的影响，此时 VCC电源波形（红色电源波形（红色线）发生了明显的线）发生了明显的 “自激自激 ”现象；现象； 当把当把 Decap全部打开时，由于全部打开时，由于 PDN在在 240MHz的谐振被消除，此时的谐振被消除，此时 V
6、CC电电源波形（蓝色线）得到了明显的改善源波形（蓝色线）得到了明显的改善12Sigrity ConfidentialPDN的谐振对 EMI的挑战 当把当把 Decap全部去掉时，由于全部去掉时，由于 PDN谐振的影响，此时全板谐振的影响，此时全板 EMI的辐射在的辐射在200MHz500MHz全部超标；全部超标； 当把当把 Decap全部打开时，由于全部打开时，由于 PDN在在 240MHz的谐振被消除，全板的谐振被消除，全板 EMI的的辐射在辐射在 500MHz以下均满足了以下均满足了 FCC CLASS B的标准的标准Decap_disabledDecap_enabled13Sigrity
7、 Confidential电容特性 一个真实的电容包含一些重要的寄生参数，如串接电感 （ ESL）和串接电阻（ ESR） ESL可能会引起电容在一定频率上的谐振LRC大电解电容：470uF (232KHz) 主板高频电容：100nF (26MHz)14Sigrity ConfidentialExample1：去耦电容效应原始 PDN网络的输入阻抗mag(Z)15Sigrity ConfidentialExample1：去耦电容效应加 Bulk低频电容mag(Z)16Sigrity ConfidentialExample1：去耦电容效应加 MB高频电容mag(Z)17Sigrity Confid
8、entialPCB大电容与高频电容 PCB常用的电容通常分为电解电容和陶瓷电容； PCB上用的电容容值和ESL 通常比封装电容要大； 其有效作用范围通常为：DC500MHz陶瓷电容陶瓷电容电解电容电解电容18Sigrity Confidential频域分析 研究对象：研究物理结构本身随频率变化的特性，与激励信号无关，适用于无源、线性、时不变的系统。 优点：频域比时域容易定位和解决问题，容易进行频域仿真，能够清楚的分析 Die, Package和 Board等各部分对系统性能的贡献，不受外部噪声的干扰。 缺点：没有明确的 spec可供参考。Ideal Z(f) Profile Typical Z
9、(f) Profile19Sigrity Confidential频域分析的分类 直流 DC分析： 研究对象为激励信号的频率 F=0时的恒定 电路特性，主要指标有电压、电流和电阻等； 交流 AC分析： 研究对象为激励信号的频率 F0时的瞬态 电路特性，主要指标有AC电压、AC电流、AC阻抗、电感、电容和S参数等。20Sigrity Confidential输入阻抗Input ImpedanceZ11, Z22: 自阻抗，输入阻抗自阻抗，输入阻抗Z12, Z21: 互阻抗，转移阻抗互阻抗，转移阻抗 从器件处向系统内部看进去的阻抗叫做输入阻抗； 用输入阻抗 Zin来表征电源系统的特性，可以不受端口
10、阻抗匹配状况的影响21Sigrity Confidential电源地网络的阻抗分析 输入阻抗：在封装Die端的I/O口测量得到；通常要分析该指标是否满足目标阻抗的要求；如果波形中有谐振，则必须改善或抑制它。 传输阻抗：相邻I/O电源管脚之间的同步翻转耦合；通常用于研究电源网络之间的干扰以及去耦电容的放置。iiiiIVZ =jjijijIVZ22Sigrity Confidential时域分析 研究对象：研究电源或信号实际的波形，与激励信号有关，适用于观测系统的有源、非线性特性。 优点：直观，有明确的 spec ，如 Ripple和 Transient等指标可供参考。 缺点：不容易发现和解决问题
11、， IC器件的电流激励 Icct波形难以得到，测量容易受外部噪声的干扰。23Sigrity Confidential典型的时域电流激励与电压波形First DroopSecond DroopThird Droop24Sigrity ConfidentialPDN网络分析的一般流程 尽管最终我们要在时域中测量和验证电源噪声，但是 首先设计和优化 PDN的阻抗特性 ，然后再做时域上的测量和验证（如果有必要以及瞬态时域电流已知）要更简单和直接的多。Istvan Novak, Jason R. Miller, “Frequency-Domain Characterization of Power Di
12、stribution Networks”, ARTECH HOUSE, 200725Sigrity ConfidentialSpeedXP Suite简介简介 时域分析 SPEED2000 信号网络的时域波形分析 电源/ 地噪声的实时纹波分析和空间分布分析 板级的EMI/EMC 分析 频域分析 PowerSI 电源与信号的网络参数（S/Y/Z ）模型提取 空间模式下的电容位置优化 谐振模式分析 提取电路模型 BroadBand SPICE 将网络参数（S/Y/Z ）模型转换成高精度确保收敛性的SPICE 等效电路模型 直流分析，热分析 PowerDC 直流压降，电流密度和过孔电流分析 VRM感
13、应线的位置优化 电热混合分析 串行通道分析 Channel Designer 高速串行通道的眼图分析 误码率分析 支持器件的AMI 模型与其他布线工具的接口Sigrity UPDCadence Allegro, APD, SpecctraMentor Graphics Boardstation, Expedition, PowerPCB, ICX Zuken CR5000, Visula, CADstarAltium Protel, P-CAD26Sigrity ConfidentialSigrity推荐的 PI频域分析流程PCB布线文件布线文件PowerDC进行直流分析进行直流分析Power
14、SI进行交流分析进行交流分析Broadband SPICE进行模进行模型转换型转换OptimizePI进行电容优化进行电容优化27Sigrity ConfidentialSigrity推荐的 SI时域分析流程PCB布线文件布线文件SPEED2000进行通用时域进行通用时域分析分析Channel Designer进行进行高速串行通道分析高速串行通道分析28Sigrity Confidential2. PowerSI的主要特色和典型案例29Sigrity Confidential特色1 ：支持TouchStone2.0 Touchstone2.0的特点：与 1.0兼容, 于2009 年 7月发布；
15、支持混合模式（单端 +差分），使 SI仿真时可以更好的考虑 PDN对信号的影响； Per-port 阻抗参考，使频域建模时设置不同的 Port阻抗成为可能；去除了数据点数和端口数的上限，方便了对大型IC 的建模； Z和 Y参数不再参照 Z0进行归一化。 PowerSI10.0是业界最早支持 Touchstone 2.0模型的工具之一 ，可方便的导出和导入。 PowerSI可直接导出Touchstone 2.0模型30Sigrity Confidential特色2 ：支持W-element 点击 Net ManagerCoupled LinesCoupled Lines Report，你可以看到耦合的详细信息，包括哪些线之间超过耦合门限，耦合长度，耦合百分比以及耦合的电参数 点击 Create Circuit Model，则可生成 2根临近传输线 D1和 D2的 W-element子电路，从而对常见传输线模型的支持得到了增强导出W-Element 模型 生成的 W-Element模型
