基于Sigrity的电源完整性仿真

首先就是我最喜欢的框图系列，可以看到电流从VRM（voltage regulator module）流出，依次经过PCB板，芯片封装，芯片内部半导体电路到达用电位置，所以我们常常说的PDN(powerdistribution network)电源分布网络就包含这三个部分，由于这个系列主要是讲基于PCB的电源完整性仿真，所以只涉及VRM和PCB上面的设计。所以后文中提到的PDN都泛指VRM+PCB。

先来说电源完整性仿真的目的，芯片在工作的时候会有一个需要的工作电压范围，同时工作在不同模式会对应不同的sink current，电流在PDN上传播会有损耗，所以电源完整性仿真的目的就是保证在芯片工作的时候PDN能够为芯片提供所需要的工作电压，我们控制的是整个PDN上的电压损耗，芯片在某个工作模式下电流是确定的，所以通过欧姆定律可以得出目标阻抗，我们在优化PDN性能的时候，其实是在优化PDN的阻抗，和信号完整性一样，这里的阻抗是一个频率相关的变量，整个PDN上的寄生参数有三类，电阻，电容，电感，所以下面一个公式给出了某个频率下PDN阻抗的计算方式：

光说有点抽象，下面一张图是我从随便挑了一个MCU,截出来的一个工作电压与电流的情况，通过欧姆定律就可以算出目标阻抗值。

说到目标阻抗那就牵扯到一个判断标准，首先如果板子上有一千条电源轨，那么这一千条是不是都要看呢，答案当然是不需要，这里给出了一个经验值，我的做法是电流大于1A的电源轨会跑一下仿真，其他的都可以根据经验来判断layout有没有风险，需要格外关注的是那些小电压，大电流的电源轨，换句话说就是目标阻抗很低的电源轨，目标阻抗在几个毫欧到几十个毫欧之间的电源轨属于重点关注对象，那么目标阻抗是怎么算出来的呢，下面有两个计算公式，偏悲观的以及正常的，我倾向于先用偏悲观的公式去卡，如果实在不行（关于怎么得出实在不行这个结论后面的文章里面会有详细的论证），就用正常的公式去卡。

可以看到正常的公式得出的目标阻抗是悲观公式的两倍，其实正常的公式里面这个电流叫做平均电流，因为芯片工作时候的电流不是恒定的，所以在做时域仿真的时候会加入电流曲线去模拟芯片工作时候的sink电流情况。

所以可以得出一个结论：

我们在优化电源完整性的时候其实是在优化PDN的阻抗。

这个专题的两个仿真实例都是围绕这个结论展开的，当然电源完整性是一个比较复杂的系统工程，但是这个章节我们主要研究怎么优化PDN的阻抗。这一篇主要是仿真前的基础铺垫，所以主要会说两个部分：VRM和电容。

先来说VRM, (voltage regulator module), 也就是我们所说的电源，在我做过的设计中主要遇到过两种VRM，第一种是DC-DC，第二种是LDO，因为我不是专业的EE，所以没法解释的特别透彻，简单的来说DC-DC能够提供较大的电流，但是噪声大，LDO供电能力比较弱，但是得到的电平精度高噪声小，所以我们这个系列所说的VRM统一是指DC-DC。

下图是一个降压型开关稳压器的简化方框图，图的最左边是输入电压，当S1闭合时，电感器L1的功能是贮存能量，并将电流传送到负载，如果L1贮存的电流大于负载所需的电流，S1断开，S2闭合，电流在持续流向负载的同时会逐步减小，直到S1再次闭合，S2再次断开。放大器A以参考电压为标准检测负载电压，当负载电压太低时，它导致开关动作给电感器增加电流，当负载电压太高时，它导致开关动作让电感器减小电流。电感器电流在C1中积分，使得电压变化更加平滑，调节回路的带宽通常在1KHz到几百KHz之间，在高于回路带宽的频率时，VRM变为高阻，因此电压将不能得到有效的调整，这时候依靠的就是系统中的另外一个供电单元：电容。

说到VRM的调节带宽，先提一个事情，我们通常在仿真PDN的AC特性的时候不会把VRM加进去，因为VRM是一个有源的非线性系统，所以通常把端口加到VRM输出的地方，于是我们在低频段会得到一个往上翘的趋势，势必就会超过PDN目标阻抗，所以在VRM可调节带宽里面的超SPEC可以认为是允许的。所以在开始仿真之前还必须要结合VRM的SPEC找到VRM的可调带宽，下图是一个VRM的datasheet，

可以看到在datasheet的feature部分就可以找到我们需要的这个可调带宽，一般叫做switching frequency, 需要注意到的是这颗VRM非常牛X，switching frequency是可调的，所以我们还需要搞明白这个到底是怎么调的，往下看：

可以看到通过在Rt/Sync管脚外接电阻的方式可以改变switching frequency. 通常EE会cover这部分，但是如果遇到比较弱的EE需要再去confirm一下接的到底对不对。

接下来说电容，当频率高于VRM的可调频率时，VRM不能有效供电，PDN需要其他供电器件来保证供电能力，电容作为储能器件能够存储电荷，供给开关电路使用，去耦电容器通常放置在电源/地平面上，一个引脚连接电源平面，另外一个引脚连接地平面。

由于去耦电容器寄生电感参数的影响，去耦电容器可以被分为低频去耦电容器，中频去耦电容器和高频去耦电容器。电容器根据其位置不同也可以分为三种：板级去耦电容器，封装级去耦电容器和芯片内去耦电容器。

因为电容是由有限电导率材料制造的，所以存在电阻性。当电容器提供电荷时，时变电流会产生磁场，磁场会使得电容器具有电感性。因此在频率很高时，电容器的寄生参数的影响不能忽略，电容器不再被当作理想电容器看待。电容器模型和阻抗频率参数如下图所示，电容器参数包括电容器本身的电容值C，ESL和ESR，ESL和ESR有电容器的物理结构，以及起连接作用的安装焊盘和过孔共同决定。

可以看到在某个频率点电容具有最小的阻抗，这个点就叫做电容的谐振点，因为电容的低阻抗带通常很小，因此需要多种不同类型的，具备不同谐振频率的电容来实现PDN的宽频带，低阻抗特性，电容器的谐振频率计算如下：

当频率小于谐振频率时候电容器表现为容性，当频率大于谐振频率时则表现为感性，在谐振频率处，电容器的阻抗Z=ESR。

到这里基础篇就差不多了，下一篇会从简单的IR DROP说起，正式开始软件操作的介绍。

我认为做好一个电源仿真需要的是一个综合能力，首先必须对DC-DC电源的工作原理有一定了解，能够在datasheet里面找到自己想要的信息。其次一定要对allegro的report体系非常熟悉，能够知道该去哪个report里面找自己想要的信息，因为通常来说一个电源连接的电容数目非常多，所以单纯的依靠看原理图不仅效率低，而且容易出错，事实上我后面的介绍前期的准备工作全部都是依靠allegro强大的report体系，做出来的表格行云流水一目了然，excel表格用的好真的是一件事半功倍的事情。最后就是仿真的基础知识和对软件的熟悉程度，前者能用来判断仿真结果是否合理，后者能用来保证仿真设置与步骤不出错。