聊聊电源完整性（PI）仿真

sky2008

    首先，咱们先来讨论一下电源完整性的概念，电源完整性（PI，Power Integrity)就是为板级系统提供一个稳定可靠的电源分配系统（PDS）。实质上是要使系统在工作时，电源、地噪声得到有效的控制，在一个很宽的频带范围内为芯片提供充足的能量，并充分抑制芯片工作时所引起的电压波动、辐射及串扰。
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sky2008

- L$ [: @, I9 F     电源分配系统（PDS）：上图是一张经典的电源分配系统特性图，相信大家都比较熟悉。从这个图里面，我们可以将整个电源频段分成几部分。在低频段，电源噪声主要靠电源转换芯片VRM来滤波。在几MHZ到几百MHZ的频段，电源噪声主要是由板级分立电容和PCB的电源地平面对来滤波。在高频部分，电源噪声主要是由PCB的电源地平面对和芯片内部的高频电容来滤波。我们在做仿真的时候，对低频和高频部分的仿真精度都还不准确，真正有意义的频段主要还是在几MHZ到几百MHZ这个频段。

freezing616

现在PI的难题是1.VRM怎么建模？2.负载芯片的模型一般无法得到。

amper

言不在于多，而在于精！我在想，楼主要经过多少实践、理论的洗礼，才能条条是道~敬佩

Allen

感谢版主的精彩奉献！

sky2008

今天，一起来聊聊电源完整性仿真的必要性：随着超大规模集成电路工艺的发展，芯片工作电压越来越低，而工作速度越来越快，功耗越来越大，单板的密度也越来越高，因此对电源供应系统在整个工作频带内的稳定性提出了更高的要求。电源完整性设计的水平直接影响着系统的性能，如整机可靠性，信噪比与误码率，及EMI/EMC等重要指标。板级电源通道阻抗过高和同步开关噪声SSN过大会带来严重的电源完整性问题，这些会给器件及系统工作稳定性带来致命的影响。PI设计就是通过合理的平面电容、分立电容、平面分割应用确保板级电源通道阻抗满足要求，确保板级电源质量符合器件及产品要求，确保信号质量及器件、产品稳定工作。
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  Z# n9 [; r6 Q/ i电源完整性PI与信号完整性SI的相互影响：从整个仿真领域来看，刚开始大家都把注意力放在信号完整性上，但是实际上电源完整性和信号完整性是相互影响相互制约的。电源、地平面在供电的同时也给信号线提供参考回路，直接决定回流路径，从而影响信号的完整性；同样信号完整性的不同处理方法也会给电源系统带来不同的冲击，进而影响电源的完整性设计。所以对电源完整性和信号的完整性地融会贯通是很有益处的。设计工程师在掌握了信号完整性设计方法之后，充实电源完整性设计知识显得很有必要。

John-L

搬凳子学习。。

sky2008

这个贴子主要是大家一起来讨论电源完整性仿真的内容，我只是根据自己的理解起个头，这中间肯定有很多不对的地方，欢迎拍砖，非常希望大家一起参与进来讨论，哈哈 ：）

sky2008

/ q" q3 U6 P# O8 B6 N电源完整性研究的内容：电源完整性仿真的内容很多，但主要的几个方面如下：
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; ~; R4 d6 N$ R- h1：板级电源通道阻抗仿真分析，在充分利用平面电容的基础上，通过仿真分析确定旁路电容的数量、种类、位置等，以确保板级电源通道阻抗满足器件稳定工作要求；
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2：板级直流压降仿真分析，确保板级电源通道满足器件的压降限制要求；

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' ?: a1 L: O. U5 u7 p3 C: C% T
3：板级谐振分析，避免板级谐振对电源质量及EMI的致命影响等；

mengzhuhao

版主教我们用仿真工具进行电源完整性设计

sky2008

水平有限，谈不上教，哈哈。
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后面可以往怎么用工具仿真方面聊，欢迎参与进来一起讨论哈。。。

sky2008

! Y% S# s% l+ g# Z! l
该聊聊大家都很熟悉的目标阻抗Ztarget了。笔者认为，这个目标阻抗是电源完整性仿真里的一个有用但不精确的标准。
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4 o8 P( H4 L* v+ a为什么这么说呢？首先介绍一下目标阻抗Ztarget的概念：为了保证IC等器件在直流到时钟频率的多次谐波频段上都能稳定工作，从IC等器件向电源传输系统看进去的阻抗必须保持在较低的值。目标阻抗是我们所期望的电阻值Ztarget，Ztarget的计算方法如下：
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7 c: U  n+ s; V3 g其中：Ztarget目标阻抗
Power Supply Voltage是工作电压
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, M; t) G6 r- i8 zAllowed Ripple 是允许的工作电压纹波系数
8 L. j4 u& ?8 Q* pCurrent 是工作电流，目前这个值是用最大电流的1/2来替代。
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大家都知道，电源测试的时候，主要是测试纹波，噪声，但是业界目前还很难通过软件进行时域的纹波噪声仿真（一些大公司已经通过测试来建立芯片的噪声模型，然后用这个模型直接仿真，得到的结果就是电源噪声，但目前还处于探索阶段，没有推广使用），而是仿真电源分配系统的电源阻抗，他们的关系可以通过V=R/I来联系。因此如果还是仿真阻抗曲线的话，测试与仿真不能形成闭环。

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在衡量这个阻抗曲线是否能满足要求的时候，使用了这个目标阻抗的标准，但是仔细想想，这个标准还是有很多问题的，比如：这里的电流多大合适？实际的单板功耗是一个动态功耗，是不端的变的。在单板的整个频段范围里，使用统一的目标阻抗值，肯定也是不合理的，应该是各个频段，标准不一样。
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. E0 R/ `7 y( Z. R; \虽然有这些问题存在，但这个标准还是很有用的，可以通过这个标准衡量电源平面的好坏。就如目前的时序计算，大家基本上都是通过公式对时序进行计算，就是所谓的静态时序分析。虽然这个静态时序分析对电源波动，ISI,SSN等问题考虑不周到，也就是说计算结果不准确，但用来衡量接口时序还是很有用的。因此笔者认为，目标阻抗是一个有用而不准确的标准。

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( f& f3 c+ G* Y  a

yuezw

感谢楼主得奉献，学习了

fly198302

谢谢楼主，看后很受启发，觉得很深偶，希望楼主多多继续贡献自己的观点和看法，谢谢

sky2008

6 n* C9 x3 U) V3 k# [    关于电容的资料很多，这里只做简单介绍，下次将介绍在PI仿真里面很重要的平面板电容。
6 {0 ]. \& L  D$ y- c

    电容不仅仅是电容：在频率很高时，电容不能再被当作一个理想的电容看，而应该充分考虑到它的寄生参数效应，通常电容的寄生参数为ESR,ESL。串联的RLC电路在f处谐振。其曲线如下图。图中f为串联谐振频率（SRF），在f之前为容性，而在f之后，则为感性，相当一个电感，所以在选择滤波电容时，必须使电容器工作在谐振频率之前。
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joshuafu

jixu~

freezing616

不错，希望LZ继续发关于此的好东东！
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3 u1 C& O4 n" e/ E5 N: q0 Y不过，国内公司做PI的好像很少，做SI的都是大公司。
0 b$ s; g) L2 i3 w) s6 p) q6 q( ?9 u关于PI的资料也很少！！！！！