ANSYS SIwave在电源仿真中的应用实例

（天津通信广播集团 数字试验室，天津 300140）

随着人们对数据处理和运算的需求越来越高，电子产品的核心——芯片的工艺尺寸越来越小，工作的频率越来越高，目前处理器的核心频率已达千兆赫兹，数字信号更短的上升和下降时间，也带来更高的谐波分量，数字系统是一个高频高宽带的系统。对于一块组装的PCB，无论是PCB本身，还是上面的封装，其几何结构的共振频率也基本落在这一范围。不当的电源供应系统（PDS）设计，将引起结构共振，导致电源品质的恶化，造成系统无法正常工作。

1 电源完整性

电源完整性的提出，正是源于不考虑由于电源的影响下基于布线和器件模型而进行SI分析时所带来的巨大误差。电源完整性PI指的是电源波形的质量[1]。

1.1 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。

1.2 电源完整性研究的内容

对于高速数字电路和系统，PI的研究对象是电源分配网络PDN （power distribution network）。图1所示为不同位置的工作频率及相应频率下的目标阻抗，设计的电源分配网络阻抗不能超过目标阻抗[2]。

图1 PDN的目标阻抗Fig.1 PDN target impedance

电源完整性仿真的内容很多，但主要有以下几个方面：

（1）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；

（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；

（3）板级谐振分析，避免板级谐振对电源质量及EMI（electro magnetic interference）的致命影响等。

2 仿真工具介绍

ANSYS SIwave用于PCB单板和IC封装，包括封装与单板整合后形成的完整通道分析。帮助工程师进行从DC到10 Gb/s以上的信号和电源完整性分析。从ECAD版图中直接提取信号网络和电源分布网络的频域电路模型。这些分析用于确认信号和电源完整性问题，对于帮助设计者一次设计成功非常关键。

2.1 SIwave-DC

SIwave-DC产品的目标是对低压、大电流PCB和IC封装进行直流分析，从而评估关键的端到端电压裕度，确保电力传输可靠。它允许对直流电压降、直流电流和直流功率损耗进行布局前和布局后的“假设”分析。该过程确保配电网络（PDN）能够向集成电路提供适当的功率——检查PDN是否具有足够的凸块、焊球和引脚以及足够多的敷铜，以将损耗降至最低。该技术可识别会导致热点的过流区域，以减少现场故障的风险。您可以快速分析PCB或封装上器件之间的路径电阻（也称为部分电阻），以便在选择最佳的PDN拓扑进行供电之前了解PDN差异。

2.2 SIwave-PI

SIwave-PI产品包括SIwave-DC，并增加了AC分析，以精确仿真电力传输网络和PCB上的噪声传播。SIwave-PI是分析电源完整性分布挑战、自动优化去耦电容选择和布局的理想选择——这些全部都在执行精确的电压降和功耗分析时进行。

3 实例分析

本例就是采用ANSYS SIwave 2016作为仿真软件使用。

3.1 产品设计中遇到的问题

VCCK的标准电压应当是0.9 V～1.1 V，电流是2 A；故障现象是播放彩条信号和图片时死机。

3.1.1 问题初步分析

播放图片时死机，初步还以供电问题或时钟故障；测量时钟频率正常，测量各个供电电压正常，但VCCK的最大电流只有1.067A，远低于规格书的2 A的要求。

3.1.2 初步试验

调高VCCK的电压，调到1.3 V，不再出现死机的问题。直接用铜线从VCCK的输出连接到主芯片的VCCK，并调低电压到1.1 V，未发生死机现象。

3.1.3 初步结论

通过以上试验，可以分析出，此故障是由于VCCK供电不足引起的故障；由于产品的原理图是按照参考设计做的，而参考设计的产品未发现此问题，所以怀疑是PCB布线引起的问题。

3.2 通过仿真工具对产品设计的电压和电流密度进行分析

3.2.1 电压分析

图2和图3所示为修改前0.9 V电压走线图，工作电压分别为0.9 V和1.3 V。

图2 修改前0.9 V电压图Fig.2 Pre modified 0.9 V voltage diagram

由图2可以看出，电压没有明显的下降；但是电压的传输路径太长了，有没有必要的绕行。

图3 修改前1.3 V电压图Fig.3 Pre modified 1.3 V voltage diagram

由图3可以看出，将VCCK由0.9 V调整为可以工作的1.3 V后，电压没有下降的迹象。

3.2.2 电流分析

电流分析如图4所示，图5为图4细节展示。从图4和图5可以看出，电流的流通路径比较长，而且是多路的，有的地方还很窄，说明VCCK的走线的阻抗会比较大，电流达不到2 A的要求，而实际的测试结果是电流的最大值只有1.067 A。

3.2.3 改善方法

通过以上分析可以得出，改善VCCK的布线是解决问题的方法。增加走线的宽度，使之能够传输2 A的电流。通过一些PCB设计助手工具可以算出2 A的电流PCB宽度大于24 mil（本例中使用proPCB计算，不再详述）。

图4 修改前1.3V电流图Fig.4 Pre modified 1.3V current diagram

图5 修改前1.3 V电流图细节Fig.5 Detail of pre modified 1.3 V current diagram

3.2.4 更改后分析

更改后的走线如图6和图7所示。

图6 更改后0.9 V电压图Fig.6 Voltage diagram of 0.9 V after modification

图7 更改后0.9 V电流图细节Fig.7 Detail of current diagram of 0.9 V after modification

从图6可以看出，新的走线去掉了不必要的分支路线，增加了有效的走线宽度；图七可以看出，电流密度明显降低，在原先走线比较细的地方增加了走线宽度。

3.3 更改后实际测量结果

更改后的PCB实测VCCK的工作电压工作在0.9 V～1.15 V，工作电流是1.829 A，基本能达到工作电流的要求（设计手册要求2 A，实际测量会有偏差，由于设备原因不易捕捉到最大电流）。产品在实际使用和老化测试过程中未发生异常现象。

4 结语

通过以上分析，可以看出仿真的可行性和必要性。在传统的PCB设计之中加入PI、EMI和SI步骤，在电路设计过程中加入了布线前仿真和布线后仿真。前仿真是通过建立信号完整性原理图来进行的，所以这种仿真是一种“What-if”的仿真，也就是布线前的仿真，后仿真是导入PCB设计文件，提取叠层结构与叠层物理参数，计算传输线特征阻抗，进行信号完整性与电磁兼容测试的仿真[3]。有效的仿真可以及时分析和发现设计问题，减少制作PCB和样板调试的次数，从而可以避免时间和金钱的耗费，加快项目进度。

[1] 房丽丽.ANSYS信号完整性分析与仿真实例[M].北京：中国水利出版社，2013.

[2] 刘肃，阎胜刚，王永.基于SIwave与ADS的高频仿真[J].电子器件，2012，36（6）：894-898.

[3] 冯新宇，管殿柱.PADS Logic&Layout高速电路板设计与仿真[M].电子工业出版社，2014.