如何使用ADS的SIPro和PIPro-电子发烧友网

编者注：本文主要介绍了使用ADS仿真SI、PI和CE的方案，并不是介绍如何使用ADS的SIPro和PIPro。

是德科技的先进设计系统（Advanced Design System， ADS）软件是一个完整的高速电路仿真设计平台，提供了完整的信号与电源完整性仿真解决方案。ADS 的版图设计环境集成了全新的SIPro/PIPro仿真分析工具，可以帮助工程师快速高效地完成PCB 设计中信号与电源完整性的PCB布局分析和PCB后仿真。

SIPro/PIPro是内嵌于ADS 版图设计环境中的功能模块，它包含独立的仿真界面及仿真器，可以对版图设计进行分析。目前， ADS 版图支持多种不同格式的设计文件导入，如ODB++， Gerber， IFF, EGS，Allegro Brd 等。

SIPro/PIPro包含以下功能：

PI-DC ，用于直流电压降分析

PI-AC，用于PDN 阻抗分析

PPR（Power Plane Resonance Analysis），用于电源平面谐振分析

Electro-Thermal，用于电热联合仿真

Thermal，热仿真分析

SIPro（Power-Aware Signal Integrity Analysis），用于与电源相关的信号完整性分析

CEMI（Conducted EMI），用于PCB 电源传导仿真分析

阻抗快速扫描

下图为SI/PIPro的软件界面和仿真的基本流程。

SIPro/PIPro具有以下特点：

仿真速度快，比传统平面或3D 电磁场仿真器速度提高10倍以上。

仿真精度高，可以与3D有限元法有相似的仿真精度。

仿真流程简便，界面友好。

可以方便地生成ADS 原理图，进行电路分析。

可以仿真Tabbed routing等非规则PCB结构。

便捷设置Back drill过孔。

可以任意设置信号或者电源端以及相应的参考端。

有Python的接口。可以非常方便地管理电容模型库。

1.PI-DC分析

由于过大的直流电压降，落在 IC 电源端的电压可能低于建议的最低电压。这可能导致IC的故障。过高的电流密度在过孔处会生成过多的热量，引起电路板裂开或烧化，导致故障。PI-DC可以计算直流条件下的电压、电流、 IR Drop (电压降)及电源供电网络的功率损耗密度等。PIPro可以帮助工程师用户识别芯片等器件的管脚和连接过孔等在直流工作条件下流过的电流密度，显示芯片管脚电压，并给出设计裕量。仿真结果还可以自动生成报告。如下图所示为电压跌落的结果，包括了图形化的结果以及数据表格结果。

PIPro输出的电源结果中还包括电源树等结果。如下图所示为多相电源300A电流电路PI IRdrop的结果：

2.PI-AC分析

PI-AC分析用于提取电源分布网络（PDN）的交流阻抗特性，并且可以显示电流密度，了解热点区域。提取的阻抗网络可以直接转化为ADS 的原理图，与电压调节模块（VRM）模型和去耦电容进行优化。

PI-AC分析允许在仿真中添加元件模型，如去耦合电容模型。软件支持多种元件模型形式，如理想集总元件， S 参数模型，元器件厂家模型库，自定义电路模型等。用户可以一次为同一个元件定义多种模型，可以方便地在多个模型间进行切换。

PI-AC分析可以一次分析任意多个指定的电源网络，仅更换元件模型时不需要重复进行电磁仿真。便可获得新的结果。如下图所示为PDN 阻抗曲线。

在PIPro中可以导入目标阻抗曲线，通过与设定的目标阻抗进行比较，可以确定当前设计是否满足阻抗要求。

当设计阻抗不满足要求时，需要进行阻抗优化。PIPro本身自带自动优化仿真。

PIPro可以自动生成仿真电路原理图，用户可以在ADS 原理图中优化或调谐元件模型，选择合适的元件组合。

ADS 提供了10余种优化方法，可以实现去耦电容参数的快速搜索，实现最佳性能。通过分析去耦电容通过电流的大小，可以剔除冗余电容，降低设计成本。

3.电源平面谐振 (PPR) 分析

电源平面谐振分析可以计算配电网络(PDN)的自谐振频率和相应的 Q 值。它可以帮助你实现去耦电容和过孔的优化布置。电源平面谐振会干扰敏感的模拟电路，并生成过量的辐射。这可能导致设计不能满足 EMC 规范。

4.电热联合仿真

电源完整性分析中还集成了电热仿真功能，能够实现电/ 热协同仿真。电源完整性仿真引擎(DC Drop) 对电源网络进行仿真，提供功率密度给热分析器，热分析器再根据器件功耗运行热分析，系统多次迭代上述过程，获取更新后的温度值直到仿真收敛。电热联合仿真温度显示分布图。

5.与电源相关的信号完整性分析（SIPro）

在高速电路信号完整性设计中，信号电流的最短回流不仅包含地平面，有的还包含电源平面。如果在提取信号走线S参数时，仅考虑参考地平面，不考虑电源平面，仿真的结果会有很大的误差。SIPro使用独有的混合算法，可以快速提取信号走线（包含过孔）与地平面和电源平面的频域模型。这一频域模型可以直接转换成ADS 的原理图，用于电路仿真，如时域瞬态（Transient）仿真，通道（Channel）仿真， DDR 总线仿真等。

与其他仿真技术相比， SIPro具有以下特点：

可以考虑电源平面对回流路径的影响。

不需要对版图设计进行切割或简化，保持了地平面和电源平面的完整。

基于FEM 和平面电磁场技术的求解器，相比基于传输线等效电路的算法精度大大提高。

端口设置快速简便。

仿真速度快。

可以快速查看TDR/TDT及单端、混合模式的S 参数结果。

自动生成电路原理图。

同时仿真多路传输线的S参数，如下是选中的信号网络：