基于华为技术的电源完整性PI仿真设计

PI仿真(POWER INTEGRITY)又称电源完整性仿真，它是对单板+封装+DIE构成的电源系统的直流压降，平面载流能力，过孔电流大小，电源平面阻抗及电容种类，数量，位置等进行评估及优化的工作，具体形式如下图1所示。

图1 电源完整性仿真示图

我是2004年加入PI(POWER INTEGRITY电源完整性)仿真团队的，PI仿真团队那时候由张坤带领，鼎盛时期主要员工有：张坤，张胜利(华为互连第二位博士)，晋赵国，全青山，贾俊，王瑜(实习生)，吴炎京及我。这个团队的组合在当时部门算是实力很强大的，因“每人都有一把刷子”。加入PI团队前这个团队前期已有部分技术积累：电容的S参数测试，一些理论的研究，但仿真操作流程很复杂且在UNIX环境下，离实用阶段还有一段距离。

华为的PI仿真初期与cadence也有着很紧密的联系。SQPI是陈兰兵在CADENCE主导开发的一个项目并选华为作为试用客户，经过华为内部的优化及各种关键技术的钻研，最后华为成功应用了SQPI，可惜CADENCE就缺少最后一步没有把这个软件大面积推广开来，也许是算法上对单板一些特殊的情况没有处理好，最重要是其它公司没有象华为这样的团队为这个流程的顺利进行作进一步的技术研究及写上一些辅助的程序。

我一直认为SQPI很好用且效率特别高，因为它与LAYOUT平台是同一平台，无需各种转换，使用我开发的自动赋模型程序及构建的仿真环境，一个板级的PI仿真最多1个小时内就可以完成。

当初CADENCE的PI仿真平台切换是有历史故事的，开始时CADENCE是在UNIX平台上运行PI仿真,这个平台使用的仿真引擎是SPECCTRA。SPECCTRA是频域引擎而网表则类似于SPICE的工具，可以直接使用电容的S参数，在UNXI环境下此工具操作起来很不方便，这就是为啥刚开始时部门没法推广的重要原因，后来CADENCE把它的PI仿真工具移到了WINDOWS平台，使用引擎是TLSIM，这样就比较符合大家的使用习惯了，但这个在WINDOWS平台中运行的PI仿真软件不能使用电容的S参数库，而是使用一阶RLC模型,一阶的RLC钽电容是没法拟合的。这方面我们做了不少的研究及转换工作，并最终把电容模型的问题给解决了，电容库方面我认为我们当初做得比CADENCE还要好，我们的研究成果由于公司保密原因没有与CADENCE共享，主要的技术点包括：

电容的S参数测量。

我重新设计了SLOT校准件及测试板，并测试了公司80%以上电容的S参数模型

S电容参数转为多级SPICE模型

陶瓷电容的RLC是通过ADS拟合出来的（这个方法我在部门的数据库中归了档）;钽电容则是通过多级RLC拟合出来，如下图2所示。这个是由王瑜使用MATLAB完成的。

把所有的电容的SPICE模型按一定的格式组合成DML文件

这个由我写程序完成。构造这个文件按CADENCE给的HELP文件是完成不了的，因我无意中发现它的一个BUG,即RLC元件值后面的单位必须要有一个空格，这个BUG对整个仿真流程至关重要。DML文件可以加密，但是PI运行后生成的网表会把电容的多级子电路显示出来，这也是一个BUG。

按CODE进行自动赋模型

这个方法由我发明并写程序完成

模型的S1P,S2P转换，输出的Z参数转换

这个由张胜利，贾俊等写公式及推导，我写程序一次性完成。

把上面的技术点处理完成后，PI仿真就变白痴化了，完全不会的人也可以在半天或一天内输出需要的PI仿真报告。

2 _3 l3 D  s& B; l0 A: B3 x6 L

图2多级RLC拟合钽电容电路

PI仿真流程建成后公司PI仿真方面在业界当时应是一流水平，且测试与仿真拟合得很好（我们只测到3Ghz）。

SIWAVE1.0在我们使用SQPI流程完成后1年才出来，当时由张胜利对这个软件进行了评估，由于我没有对它写辅助程序,有些算法还不成熟，SIWAVE1.0还是不如我们的流程好用。到了SIWAVE2.0后它的PI仿真方面才完善，不过SIWAVE2.0的自动赋模型程序也是我帮助李宝龙修改完成的。后来的SIGRITY PI自动赋模型我也写好了程序（直接对SPD文件进行处理）。在自动赋模型方面我觉得自已很有天赋。

板级的PI仿真我们认为已经拟合得很好了，现在剩下器件的电流源建模比较困难。TI有牛人写过文档对IC的电流源进行模拟，但他的方法一直没有使我信服，且他还在优化的过程中。

柳树要接管PI组后在芯片级等效电容方面有突破，且方法用在芯片K3V1上并解决了当时的问题。海思后来自己又引进了APACHE软件，用它来生成电流源模型，我离开公司时还未有真正突破性的进展，不知现在的情况怎样了。

由于现在PI软件的多样性及算法的进一步成熟，华为现在板级PI水平和外界应差别不大，但Hisilicon离后端较近，有机会在DIE上对PI有一番作为，这也要看小伙伴们的造化了。

关于怎样算电流源模型的问题，我也一直在思考，希望通过计算出logic的翻转率来评估。我希望在快捷后面开发产品中与FPGA工程师合作，看是否有机会突破。

华为的电容模型有一个致命的弱点，即它同一容值的电容只有一个编码，从编码你是区分不出是哪个厂家制造的，这个对精细的仿真不利，我怀疑当初的这个做法是限制采购的某些行为。

关于电容的故事：当年互连还不强大时，EMC实验室的人也要过来指导我们pcb设计，技术不强真的容易被人指手划脚。有一种现象是他们一REVIEWED就是加电容，有个工程师叫周x容，每次过来就是往板上有空的地方加电容，我们背后都叫他“周电容”。PI推广后，我们可以设计电容的摆放位置及选取电容的容值，把原来电容过设计的单板又简化了回去，一加一减双方的绩效都不错：WIN-WIN STRATEGY！OH YEAH!

贾俊后期在产品问题分析中做了不少经典案例，当时有个产品已经发到荷兰皇家电信公司KPN, 局方测试时发现通话质量较差,后来通过PI分析后在PI型滤波电路增加一个10uF的电容解决了问题。他还和张博士一起发现并解决了PI测试中焊接电缆谐振对测试结果的影响问题，找到了S参数转Z参的正确方法，这对日后PI仿真和测试结果的高度拟合起到了决定性作用。

PI这个团队大约维持了2-3年，但是成果输出是当时部门里最多的且勇于技术共享。在现在互连部老服务器中都能找到我们归档的文件。后来，我去做IC封装了,张胜利离开了公司，王瑜实习完后没有回公司（最近联系得知混得也不错），贾俊要到EMC实验室没成功也离开了华为，全青山去了北京，晋赵国“曲线救国”去了成都，最后只有吴炎京与张坤。总的来说张坤在互连部真是个不可多得的技术人才。