原创 Cadence Sigrity PowerDC 解决高速电路电源完整性DC电源分析的利器

Cadence Sigrity电源完整性仿真工具箱中的PowerDC，正如其名称组成所述（Power+DC），主要应用于DC电源在PCB板上的电源完整性问题仿真，包括：整板电源IR-Drop、电流分布密度和热点分布等。

进入高速PCB设计领域，信号完整性问题已经让我们之前对于只要电路互联逻辑正确，元器件引脚间不短路不断路，PCB电路即可成功运行的认识完全颠覆。现在，电源完整性问题则再次毁掉画板君的三观。

在那个纯真的年代，那个妹子只要跟你拉上小手，就会厮守终生的年代，没有买房买车城市落户的要求，也没有苛刻要求的丈母娘的那个年代，电子数字电路也是那么的纯真，原理图上的电源就是那个纯粹的电源，我们仅仅关注电源电路或电源模块自身是否如何电路需求，而不会费神去担忧PCB板级的DC电源系统问题。

当今，随着电子产品市场需求的日趋旺盛，人们对电子产品的性能和功能要求也越来越高，这便推高了电子产品工艺的急剧增长，IC制程越来越小，所集成的晶体管越来越多，信号翻转速度越来越快，而核心电压却越来越低、消耗的电流越来越大，CPU 核心电压、IO电压、DRAM电压等、DC电源分割种类也越来越多样性，这些种种因素使得电源完整性问题越来越突出，电子产品设计过程充满了挑战。

在进行PCB设计时对DC电源进行前仿真和后仿真对于PCB设计是否成功影响非常重要，所以，吴川斌的博客将在接下来发布系列博文，详细介绍Sigrity PowerDC的仿真应用。

大概涉及的内容如下：

• Sigrity PowerDC 简介
• Sigrity PowerDC 界面介绍
• IR-Drop的基本概念
• 电流密度
• VRM模型
• Sigrity PowerDC 仿真实战

PowerDC直流分析综述

当前的系统设计核心供电电压越来越低,而总的工作电流和布线密度则越来越大,从而导致直流问题日益突出。

Sigrity产品系列中的PowerDC工具提供了完整的电源直流分析解决方案。电路板上电源阻抗对于DC电流来说相当重要，若电流直流设计不良，将导致PCB上器件的逻辑误动作，甚至会使得整个PCB烧毁，造成安全事故。电源品质的问题日益突出，所以在电源直流的分析是相当重要的。在真实环境中，不同的温度情况下，导电系数不尽相同，所以仿真时将温度考虑进来，仿真结果将更接近于真实地现象。

目前,常见的直流分析主要包括：

• IR-Drop问题使得电源无法为IC提供足够的电压

— 导致IC工作不正常

• 电源孤岛瓶颈造成电流密度过高

— 导致介质击穿、电路板故障、甚至起火造成安全事故

• 连接电源分割平面的过孔via上的电路过大

— 导致过孔故障，造成电源开路

• 过大的电流密度造成温升过热问题

— 极端情况下造成电路板损坏

— 电路板长时间温度过高会造成元器件过热，加速老化

IR Drop分析的重要性

IR Drop其含义为直流工作时由直流电阻造成的电压降，而此时的压降可直接由 I * R 的乘积得到因而得名。

各种设计中的不利因素使DC IR Drop问题加剧

• 核心供电电压持续减小:1.2V供电变得司空见惯;
• 器件的工作电流持续增大,使 IR Drop也有不断增大的趋势;
• 层数变少和高密度布线使电源网络的布线空间受到压缩和限制;
• 过孔周围的反焊盘使原来完整的电源平面变得支离破碎;
• 越来越复杂的PCB结构使非常有经验的工程师也难以靠手工完成 IR Drop的计算

IR Drop是一个系统级的问题

• 分析中有时需要考虑封装以及多个子板的整个系统级的PDN网络;
• 需要优化系统中每个器件的电压容限,确保他们都能正常工作;
• 有些高端系统的 VRM还带有电压反馈,反馈线的设计需要科学布局才能发挥最大效果

电阻分析的重要性

电阻与电源完整性(PI)

• 直流压降(IR Drop)直接与电源分配网络(PDN)上的总电阻成正比;
• 厚平面与实心的过孔有助于减小电阻值;
• 适当的电阻有助于减小谐振

电阻与信号完整性(SI)

• I/O网络的电阻是传输线产生直流损耗的根源;
• 短而宽的走线可以减小电阻

电流密度分析的重要性

当今的PCB项目设计，板子上不同电压的分类越来越多，12V、5V、3.3V、2.5V、1.5V等等，为了降低PCB成本，我们不可能针对每个电压等级创建一个对应的完整电源平面，通常的做法是进行电源平面分割。

分割的电源平面，再加上大量的通孔via设计，会使的电源平面出现瓶颈区域，而如今的IC需求的电流越来越大，当大电流通过一个狭窄区域的时候,通常会产生较大的电流密度,从而导致PCB板局部温度的升高。

电源平面上最大的电流密度区域通常称之为电流热点 (Hot Spot),这些电流热点有可能导致严重的热可靠性问题。

设计人员应尽量使板上的电流密度分布均匀,尤其要避免在关键的IC芯片附近和高速的信号走线附近出现电流热点。

电/热协同分析

• 高电流密度是电路板上热量的另一个来源

• 电/热协同仿真准确地确定了热量水平

— 考虑到热量在电路板中的传导方式

–还包括电路板上其他热源的影响

— 还包括电路板所处的环境文档

• 铜的导电率每10摄氏度变化4%

— 电导率变化影响DC压降和电路密度

PowerDC的主要功能

• 布局布线前或布局后的PCB及IC封装DC分析;
• 彩色显示PCB各层的电压分布、平面电流分布和过孔电流分布;
• 可仿真Lumped to Lumped,Lumped to Multiple,Multiple toLumped以及Multiple to Multiple等各种形式的pin-to-pin电阻;
• 还可仿真多端口的阻抗网络,并生成DC情况下相应的S-param模型和SPICE等效模型;
• 多子板/多封装的IR Drop分析;
• 流程化仿真,指导用户快速准确的完成整个仿真,而且用户可以定制自 己特定的Workflow;
• 高效的有限元(FEM)算法无需用户设定Mesh即可得到平面上精细而平滑的每一个位置上的电压、电流值;
• 内置的Constraint management使仿真支持复杂设计的设计规则检查(DRC);
• 生成所有的电压、电流结果表格,并与预先设定的Constraints作比较;
• 将DRC Marker反标回Allegro Layout文件。

PowerDC的典型应用

优化 PDN网络中的关键指标

• 决定PDN层的铜厚
• 找到PDN层能满足IR Drop需求最小的宽度
• 进行快速的 “what if” 分析以比较不同设计的区别
• 发现 PDN网络中的设计隐患
• 找到系统中所有器件过压和欠压的条件
• 指出布线中会引起额外压降的 neck down区域
• 定位布线中会引起热可靠性问题的电流分布的 “hot spots”区域
• 现超出设计指标的 via, bump和ball电流
• 优化 VRM Sense Line的设置
• 对多器件的系统智能选择 VRM sense line的位置 • 安全的增大VRM的输出电压进行最可靠的补偿
• 输出其他系统分析需要的结果
• 创建DC等效电阻模型
• 进行包括 PCB, IC封装和on-chip模型在内的系统级IR Drop分析 • 输出热仿真工具可用的平面和过孔的电流分布文件
• 定量的计算路径中的loop电阻以进行对比分析和correlation研究

PowerDC的优势与特色

业界第一个可以进行电源地平面 IR Drop DRC检查的工具,用户对象包括 layout工程师,system 工程师和SI/PI工程师。

可协助Layout设计人员发现PCB板中不易发现的很多设计隐患,如:器件的过压/欠 压,电流分布的Hot Spot,超标的 via、bump和ball电流,平面中的neck-down和 dynamic plane cut 区域等。而这些隐患常常会导致器件不能工作甚至发生局部过热 烧毁等后果。

内置的Workflow可确保用户可以在较短的时间内就能掌握PowerDC的正确使用流程。 最新的DRC反标功能使Layout工程师可以在后台调用PowerDC,并及时在PCB版图 中将出现的DRC错误加以改进。

全新的FEM仿真引擎在仿真精度和效率上有了很大的提升。其精细的三角形网格剖分 比其他工具采用的矩形网格在计算结果和显示精