什么是DC IR Drop？DC IR Drop仿真有何意义？

一．什么是DC IR Drop

DC即Direct Current，直流电，电流方向不随时间发生改变；IR Drop中的I指电流，R指电阻，I与R相乘即为电压，IR Drop就是电压降；由电源地走线、平面及去耦电容等构成的电源分配系统，由于存在寄生电阻、寄生电感、寄生电容等寄生参数，其阻抗并不为零。当芯片工作电流由电源输出，流经电源分配网络到达芯片端时，就会在芯片端造成一定的直流压降。

随着半导体工艺的不断演进，集成电路（IC）的供电电压持续降低，器件的工作电流持续增大，金属互连线的宽度越来越窄，而R=ρL/S (其中，ρ表示导线材料的电阻率，是由其本身性质决定，L表示导线的长度，S表示导线的横截面积)，电阻值不断变大， IR drop效应越来越明显。该问题使得电源无法为集成电路提供足够的电压，可能导致集成电路工作不稳定。

二．IR Drop分类

静态IR drop

静态IR drop现象产生的原因主要是电源网络的金属连线分压，电流经过内部电源连线的时候产生电源压降。静态压降的计算不考虑电流随时间的变化，或者说以很长一段时间内的平均电流代指负载的电流。电阻值的计算也相对简单，不会过多考虑电流趋肤效应对电阻的影响，可以由电源网络抽取出电阻值，并认为它也是恒定不变的。静态IR drop主要跟电源网络的结构和连线细节有关，因此静态IR drop主要考虑电阻效应，分析电阻的影响即可。

动态IR drop

动态IR drop是电源在电路开关切换的时候电流波动引起的电压压降。这种现象产生在时钟的触发沿，时钟沿跳变不仅带来自身的大量晶体管开关，同时带来组合逻辑电路的跳变，往往在短时间内在整个芯片上产生很大的电流，这个瞬间的大电流引起了IR drop。同时开关的晶体管数量越多，越容易触发动态IR drop现象。

IR drop可能是局部或全局性的。当相邻位置一定数量的逻辑门单元同时有逻辑翻转动作时，就引起局部IR drop现象，而电源网格某一特定部分的电阻值特别高时，例如下图中的R14远远超出预计时，也会导致局部IR drop；当芯片某一区域内的逻辑动作导致其它区域的IR drop时，称之为全局现象。

电源网络等效示意图

三．IR Drop有什么危害

IR drop问题的表现常常类似一些时序甚至可能是信号的完整性问题。如果芯片的全局IR drop过高，则逻辑门就有功能故障，使芯片彻底失效，尽管逻辑仿真显示设计是正确的。而局部IR drop比较敏感，它只在一些特定的条件下才可能发生，例如所有的总线数据同步进行翻转，因此芯片会间歇性的表现出一些功能故障。

而IR drop比较普遍的影响就是降低了芯片的速度。试验表明，逻辑门单元上5%的IR drop将使正常的门速度降低15%。如果IR drop发生在时序紧张的路径上，那么后果会更加严重。

IR drop还存在潜在的热危害：布线时，电源平面被其他层的钻孔破坏，导致完整的电源平面变得支离破碎。在该区域上方通常摆放高度集成的IC，当大电流通过，电阻过高时，导致该区域温度升高，影响整体IC散热。有可能会导致性能变差（增加热噪声），最糟的情况会导致宕机。

四．为什么要DC IR Drop仿真

随着半导体工艺的提高，大规模集成电路的大电流、低电压设计使得直流压降加大，减小了交流噪声容限,加大电源完整性（PI）设计难度;同时电流密度引起的电迁移会引起可靠性问题。

因此要进行 DC IR drop 分析（虽然 PI 问题是瞬态问题，但电源的 DC 分析是第一步）。对于DC分析，需要放置合理的电压源与电流源，从而可从结果中直观的观察电流走向以及压降。

可根据仿真流程导图，一步一步的去设置完成仿真。仿真的关键，在于对电路回路的理解以及所放置的电压与电流源的合理性，对于去耦电容的选择，则需要根据谐振频率计算，从而选取有效滤波的容值。

所有的电源供电芯片在相应的设计下都有一个标称的输出电压与电压波动范围，每个分立器件也有标称的正常工作的电压与上下容限范围。需要根据这些给定条件结合仿真结果来判断电源分配系统设计是否符合要求。

芯片内部IR Drop问题可以通过仿真手段加以分析，目前主流做法包括静态分析和动态分析。静态分析时，一般只考虑寄生电阻即可；动态分析时还要考虑寄生电容和寄生电感的影响。

目前对于130nm及以上的设计，静态IR Drop仍然广泛使用，能有效分析出由于power rail开路、via丢失、power straps不足、电源线宽度不足等等造成的IR Drop。后端设计可利用静态IR Drop先将IR Drop优化到2%-5%以内（具体根据实际项目决定)，然后利用动态分析瞬态IR Drop。

结论

DC IR Drop和互连阻抗、电源的电流大小有直接的关系，在走线时按照常规的要求是1A对应1mm宽的走线，可以满足电源通流要求。但是如果电源比较多，在板上有一些瓶颈区域，有时会很难检查出来。这时需要一些电源仿真来查看哪些瓶颈和不满足要求的地方。

在IRDrop的仿真中，可以看出电源设计哪里压降较多，哪里压降较少，也可以判断电流密度是否过大，导致copper过热等。