電源的信號(hào)完整性分析流程

同步開(kāi)關(guān)輸出（SSO）引起的同步開(kāi)關(guān)噪聲（SSN）一直是信號(hào)完整性（SI）領(lǐng)域幾十年來(lái)的熱門話題（見(jiàn)下圖）。一些人認(rèn)為只有使用晶體管級(jí)模型的SPICE仿真才能提供DDR4等存儲(chǔ)器接口所需的精度，以仿真在地址和數(shù)據(jù)總線上同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)信號(hào)。而即使使用SPICE仿真器和晶體管級(jí)模型，互連模型也需要包括信號(hào)、電源和地之間相互作用的細(xì)節(jié)。有些人認(rèn)為這種模型只能使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）從物理測(cè)試平臺(tái)中提取。但是，如果您用一塊生產(chǎn)好的PCB來(lái)執(zhí)行物理模型提取，那么您已經(jīng)處于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期晚期了，而大多數(shù)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)都希望在設(shè)計(jì)周期的早期進(jìn)行這些仿真，以幫助優(yōu)化電源分配網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)布線和內(nèi)存控制器選擇。

Cadence? Sigrity?團(tuán)隊(duì)一直在推廣兼顧電源的信號(hào)完整性分析方法?，F(xiàn)在，我們又有了一些新的成果。然而，在進(jìn)一步討論之前，您可能需要花一些時(shí)間來(lái)閱讀我們的白皮書“應(yīng)對(duì)’兼顧電源’挑戰(zhàn)的內(nèi)存接口設(shè)計(jì)”(https://www.cadence.com/content/dam/cadence-www/global/en_US/documents/tools/ic-package-design-analysis/sigrity-power-aware-tp.pdf)，從而了解一下我們的流程。

這篇白皮書回顧了兼顧電源的信號(hào)完整性分析流程，該流程提取了系統(tǒng)的互連模型（如封裝模型、PCB模型、連接器模型等），然后將它們與IBIS（5.0+）器件模型級(jí)聯(lián)，組成時(shí)域仿真系統(tǒng)。Sigrity SystemSI?多年來(lái)一直支持這種流程：它使用Sigrity提取工具從物理layout中提取PCB/封裝模型，再將模型分配到各個(gè)模塊以連接每個(gè)模塊的信號(hào)、電源和地，然后使用類似SPICE的仿真器來(lái)運(yùn)行時(shí)域仿真以生成用于后處理的波形。通過(guò)提取出的包含電源網(wǎng)絡(luò)的互連模型、將適當(dāng)?shù)碾娫匆_從驅(qū)動(dòng)緩沖器連接到接收緩沖器、以及在時(shí)域仿真中使用兼顧電源的IBIS模型，就能仿真出包含電源網(wǎng)絡(luò)的非理想供電效應(yīng)的信號(hào)完整性結(jié)果。

圖：原仿真流程

只要時(shí)域仿真器可以處理大型、復(fù)雜的系統(tǒng)級(jí)仿真，并且所有模型都被正確提取，以及連接電源接地引腳的返回電流路徑也是正確的，那么該流程就可以正常工作。

不幸的是，互連模型的龐大規(guī)模（即S參數(shù)）會(huì)導(dǎo)致仿真時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。當(dāng)信號(hào)和電源網(wǎng)絡(luò)一起被提取用于并行總線設(shè)計(jì)時(shí)，電路板和封裝的S參數(shù)會(huì)有數(shù)百個(gè)端口。假如S參數(shù)模型在DC上沒(méi)有信息，那么當(dāng)S參數(shù)模型在低頻范圍內(nèi)的表現(xiàn)不佳時(shí)，時(shí)域仿真便會(huì)遇到收斂問(wèn)題。

另外，當(dāng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)從這種類型的仿真中獲得結(jié)果時(shí)，他們還會(huì)面臨調(diào)試設(shè)計(jì)問(wèn)題的挑戰(zhàn)：因?yàn)橐坏┓庋b和電路板模型被提取，layout中的所有物理信息都會(huì)丟失。因此，如果SI工程師想要糾正系統(tǒng)時(shí)域仿真方面的問(wèn)題，他們就不得不重新回到layout進(jìn)行更改，并再次提取模型。顯然，這對(duì)于“what-if”分析并不理想。

我們能否擁有一種兼顧電源的信號(hào)完整性仿真流程，避免使用模型提取并降低時(shí)域仿真收斂失敗的可能性呢？答案是肯定的?，F(xiàn)在Sigrity SystemSI和SPEED 2000可以協(xié)同工作，使這一設(shè)想對(duì)于SI工程師而言成為可能。在Sigrity新的工作流程中，SystemSI不再?gòu)膌ayout中提取模型，而是采用新模塊直接連接到電路板或封裝layout的方式。一旦啟用流程，使用混合求解器的FDTD仿真將直接在后臺(tái)的SPEED 2000中執(zhí)行（見(jiàn)下圖）。仿真完成后，仿真結(jié)果將返回到SystemSI以進(jìn)行后處理和測(cè)量。對(duì)用戶而言，界面和設(shè)置過(guò)程與使用提取模型的流程相同。

圖：原仿真流程→新仿真流程

這兩個(gè)流程的關(guān)鍵區(qū)別在于，新流程不是使用類似SPICE的仿真器，而是使用混合求解器的FDTD方法進(jìn)行時(shí)域仿真。

該流程使設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠通過(guò)直接訪問(wèn)封裝或電路板layout來(lái)執(zhí)行“what-if”分析，降低互連模型的復(fù)雜性，并使時(shí)域仿真收斂問(wèn)題得到解決。

現(xiàn)在，您可能想知道我們白皮書中討論的方法是否已經(jīng)不再需要。也不盡然。如果您在設(shè)計(jì)周期晚期，并且有一些VNA提取的模型，那么這是使用基于模塊的互連模型方法的絕佳時(shí)機(jī)。但是，如果您仍處于設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段，有權(quán)訪問(wèn)layout并期望進(jìn)行修改，那么直接的FDTD仿真方法可能會(huì)是更好的選擇。