ADS 2016：8 招助您高效应对 SI 和 PI 仿真挑战 —— 第 3 招

是德科技 ADS 2016 最新功能发布了！

全球领先的信号完整性（SIPro）和电源完整性（PIPro）解决方案,助力您更快速更准确的进行信号完整性（SI）和电源完整性（PI）仿真以及验证，轻松应对 SI 和 PI 设计的挑战。

SIPro 特点：

• 更精准，更快速，更大规模的运算能力

• 集成的 EM 电磁仿真技术

• 电源感知信号完整性分析

• 信号完整性与电源完整性统一的工作流程

PIPro 特点：

• 直流 IR 压降

• 交流 PDN 阻抗

• 电源平面共振

• 去耦电容调整和电路级 VRM 建模

SIPro, PIPro 到底怎么用？有什么高招可以让您更快地解决 SI 和 PI 的问题？让我们为您慢慢梳理。

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前文（第 4 种方法：PIPro 为用户带来动力）中我们从直流角度探讨了电源完整性的问题。从交流角度考虑电源完整性也同样重要。我们想说的是，在电源分配网络（PDN）中，我们有多个芯片用作受电负载，每个以不同的频率通断。其电流消耗不是恒定的，根据所进行的操作，负载随时间在高低阻抗之间切换。当负载切换到低阻抗时，VRM 做出响应并提供额外电流所需的时间受到 PCB 上电信号速度的限制。该传播时间大约为 166ps/英寸，因此它意味着对于电源和负载之间 6 英寸的间隔而言，这相当于对开关器件突然的阻抗变化的响应会有约 1ns 的时延。从契合逻辑的角度看，通过缩短间隔，在 VRM 和负载之间放置更多的去耦电容，我们可以提供电荷的本地存储，使得任何突发的电流需求响应时间降至最小。因此理想情况下，我们可以将大体积电容置于 VRM 附近，中等尺寸电容置于板上芯片周围，而将小容值电容置于封装内，加上芯片内已经存在的片上电容。电容的大小也可推断出我们试图提供电源的工作频率（分别为低频、中频和高频）。

▼表中文字中英对照

描述相同情形的另一种方法是，假设电流到达负载端并通过接地网络返回，这个电流回路产生了一个磁场，能够储存能量。该磁场能抵抗电流的进一步变化，换句话说就是存在电感。此电流回路的电感与回路的长度成正比。电流回路越长，电感就越高。PDN 阻抗 Z = R + jωL - j/jωC)，（其中，ω 是角频率），我们可以看到，在高频下，电感会导致 PDN 的阻抗升高，但这可以通过小电容（nF 和 pF）抵消。也就是说，如果负载以高频进行开关，且电流回路较长，那么负载不会收到它所需的额外电流，除非我们有一个工作在该频率下的本地电容。

问：解决方案是什么？是按照芯片供应商的指导，和/或在板上放置尽可能多的去耦电容，来打造强大的 PDN 设计？ 

答：不，这并不实用。需要考虑两个关键点。

1. 物料清单（BOM）— 由于板上具有多个 PDN 且空间有限，同时考虑到降低制造成本的压力，在 PDN 的设计上没有多少裕量可留。利用仿真推断同一 PDN 上电容之间的耦合可以立即告诉用户，电容之间的回路电感是高还是无关紧要（也就是说没有去耦电容的回路阻抗很小，因此可以去掉）。

2. 电容永远不只是电容，表面贴装电容总会有 ESR（等效串联电阻）和 ESL（等效串联电感）。这意味着，SMT 元件与频率有很大关系。实际上，随机放置额外的去耦电容不是一个好主意，因为它会导致 PDN 内出现不必要的谐振。

想要进行非常精确的 PDN 仿真，强烈建议采用 SMT 部件的 S 参数模型。这给我们带来本次讨论的关键点之一：当我们有两个物理特性上接近，且具有不同 ESR 值的去耦电容时，其结果可能非常令人吃惊。阻抗曲线中产生了谐振（高 Z）和反谐振（低 Z）。这与我们通过精心的 PDN 设计想要达到的结果背道而驰。

▼表中文字中英对照

那么，最佳 PDN 设计是什么样的，ADS 2016 如何帮我实现最佳设计？

如果给负载器件提供芯片厂商规定的足够电压和电流，采用最少的 BOM 进行设计，并且本身非常稳定，那么这个 PDN 设计就是最佳设计。最后一点难以实现。我们如何判断 PDN 是否稳定？来自 PicoTest（是德科技渠道合作伙伴）的Steven Sandler 是知名的电源完整性专家，具有超过 35 年的行业经验，并且就这个主题发表过多部专著。由于 VRM 本身是非线性的，并具有反馈补偿机制，Steven 建立了进行非侵入式稳定性测量的详细步骤，然后测量和表征 VRM 得到基于状态的特性模型。这个模型与 VRM 的高保真度特性模型联合起来，可让设计人员设计平坦的阻抗响应，因为 Steven 认为稳定的 PDN 是不会产生谐振的。

一旦初始版图前设计创建完毕，您可以将一次通过的 PCB 版图导入到 ADS，以便运用 ADS 2016 中的新 PIPro EM 技术进行分析。PIPro 的网络驱动用户界面允许设计人员为其打算仿真的 PDN 网络快速选择电源和接地网络，选择每个元件（去耦电容、EMI 滤波器、电感、电阻等）的仿真模型，并设置 PI-AC 仿真器来计算元件就位后版图的 PDN 阻抗。

由于 PI-AC 仿真器应用了专门为此设计的 EM 技术，因此几分钟之内即可返回非常准确的结果。设计人员可以使用场可视化、PDN 阻抗和 S 参数绘图来确定当前的 PDN 设计是否存在问题，并逐一检查电容的耦合。只需一次点击，即可生成原理图，通过流畅的内聚型工作流程，将 EM 表征模型连同元件的电路模型传输回 ADS 原理图。然后，设计人员可以应用其行为级VRM 模型，进一步调谐去耦电容进行最终验证/优化。

关于是德科技：

是德科技公司（NYSE：KEYS）是全球领先的电子测量公司，通过在无线、模块化和软件解决方案等领域的不断创新，为您提供全新的测量体验。是德科技提供电子测量仪器、系统以及软件和服务，广泛应用于电子设备的设计、研发、制造、安装、部署和运营。2015 财年，是德科技收入达 29 亿美元。如欲了解是德科技的详细信息，请访问 www.keysight.com。

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