Cadence Sigrity PowerDC 解决高速电路电源完整性DC电源分析的利器

 Cadence Sigrity PowerDC  解决高速电路电源完整性DC电源分析的利器

Cadence Sigrity电源完整性仿真工具箱中的PowerDC,正如其名称组成所述(Power+DC),主要应用于DC电源在PCB板上的电源完整性问题仿真,包括:整板电源IR-Drop、电流分布密度和热点分布等。
吴川斌的博客 Sigrity PowrDC 仿真专题
 
进入高速PCB设计领域,信号完整性问题已经让我们之前对于只要电路互联逻辑正确,元器件引脚间不短路不断路,PCB电路即可成功运行的认识完全颠覆。现在,电源完整性问题则再次毁掉画板君的三观。
在那个纯真的年代,那个妹子只要跟你拉上小手,就会厮守终生的年代,没有买房买车城市落户的要求,也没有苛刻要求的丈母娘的那个年代,电子数字电路也是那么的纯真,原理图上的电源就是那个纯粹的电源,我们仅仅关注电源电路或电源模块自身是否如何电路需求,而不会费神去担忧PCB板级的DC电源系统问题。
升压 DC-DC 直流转换电路块图
当今,随着电子产品市场需求的日趋旺盛,人们对电子产品的性能和功能要求也越来越高,这便推高了电子产品工艺的急剧增长,IC制程越来越小,所集成的晶体管越来越多,信号翻转速度越来越快,而核心电压却越来越低、消耗的电流越来越大,CPU 核心电压、IO电压、DRAM电压等、DC电源分割种类也越来越多样性,这些种种因素使得电源完整性问题越来越突出,电子产品设计过程充满了挑战。
 
PCB电源供应网络
 
在进行PCB设计时对DC电源进行前仿真和后仿真对于PCB设计是否成功影响非常重要,所以,吴川斌的博客将在接下来发布系列博文,详细介绍Sigrity PowerDC的仿真应用。
大概涉及的内容如下:

  • Sigrity PowerDC 简介
  • Sigrity PowerDC 界面介绍
  • IR-Drop的基本概念
  • 电流密度
  • VRM模型
  • Sigrity PowerDC 仿真实战

PowerDC直流分析综述

当前的系统设计核心供电电压越来越低,而总的工作电流和布线密度则越来越大,从而导致直流问题日益突出。
IC 工作电压与电流趋势
 
Sigrity产品系列中的PowerDC工具提供了完整的电源直流分析解决方案。电路板上电源阻抗对于DC电流来说相当重要,若电流直流设计不良,将导致PCB上器件的逻辑误动作,甚至会使得整个PCB烧毁,造成安全事故。电源品质的问题日益突出,所以在电源直流的分析是相当重要的。在真实环境中,不同的温度情况下,导电系数不尽相同,所以仿真时将温度考虑进来,仿真结果将更接近于真实地现象。
电热协同分析
 
pcb_powerdc 主板过热烧毁
 
目前,常见的直流分析主要包括:

  • IR-Drop问题使得电源无法为IC提供足够的电压

— 导致IC工作不正常

  • 电源孤岛瓶颈造成电流密度过高

— 导致介质击穿、电路板故障、甚至起火造成安全事故

  • 连接电源分割平面的过孔via上的电路过大

— 导致过孔故障,造成电源开路

  • 过大的电流密度造成温升过热问题

— 极端情况下造成电路板损坏
— 电路板长时间温度过高会造成元器件过热,加速老化
 

IR Drop分析的重要性

IR Drop其含义为直流工作时由直流电阻造成的电压降,而此时的压降可直接由 I * R 的乘积得到因而得名。
IR-Drop分析
 
各种设计中的不利因素使DC IR Drop问题加剧

  • 核心供电电压持续减小:1.2V供电变得司空见惯;
  • 器件的工作电流持续增大,使 IR Drop也有不断增大的趋势;
  • 层数变少和高密度布线使电源网络的布线空间受到压缩和限制;
  • 过孔周围的反焊盘使原来完整的电源平面变得支离破碎;
  • 越来越复杂的PCB结构使非常有经验的工程师也难以靠手工完成 IR Drop的计算

IR Drop是一个系统级的问题

  • 分析中有时需要考虑封装以及多个子板的整个系统级的PDN网络;
  • 需要优化系统中每个器件的电压容限,确保他们都能正常工作;
  • 有些高端系统的 VRM还带有电压反馈,反馈线的设计需要科学布局才能发挥最大效果

电阻分析的重要性

PCB电流电阻分析
 
电阻与电源完整性(PI)

  • 直流压降(IR Drop)直接与电源分配网络(PDN)上的总电阻成正比;
  • 厚平面与实心的过孔有助于减小电阻值;
  • 适当的电阻有助于减小谐振

 
电阻与信号完整性(SI)

  • I/O网络的电阻是传输线产生直流损耗的根源;
  • 短而宽的走线可以减小电阻

 

电流密度分析的重要性

当今的PCB项目设计,板子上不同电压的分类越来越多,12V、5V、3.3V、2.5V、1.5V等等,为了降低PCB成本,我们不可能针对每个电压等级创建一个对应的完整电源平面,通常的做法是进行电源平面分割。
电源平面分割
 
分割的电源平面,再加上大量的通孔via设计,会使的电源平面出现瓶颈区域,而如今的IC需求的电流越来越大,当大电流通过一个狭窄区域的时候,通常会产生较大的电流密度,从而导致PCB板局部温度的升高。
电源平面上最大的电流密度区域通常称之为电流热点 (Hot Spot),这些电流热点有可能导致严重的热可靠性问题。
设计人员应尽量使板上的电流密度分布均匀,尤其要避免在关键的IC芯片附近和高速的信号走线附近出现电流热点。

电/热协同分析

  • 高电流密度是电路板上热量的另一个来源
  • 电/热协同仿真准确地确定了热量水平

— 考虑到热量在电路板中的传导方式
–还包括电路板上其他热源的影响
— 还包括电路板所处的环境文档

  • 铜的导电率每10摄氏度变化4%

— 电导率变化影响DC压降和电路密度
powerdc_热分析
 

PowerDC的主要功能

 

  • 布局布线前或布局后的PCB及IC封装DC分析;
  • 彩色显示PCB各层的电压分布、平面电流分布和过孔电流分布;
  • 可仿真Lumped to Lumped,Lumped to Multiple,Multiple toLumped以及Multiple to Multiple等各种形式的pin-to-pin电阻;
  • 还可仿真多端口的阻抗网络,并生成DC情况下相应的S-param模型和SPICE等效模型;
  • 多子板/多封装的IR Drop分析;
  • 流程化仿真,指导用户快速准确的完成整个仿真,而且用户可以定制自 己特定的Workflow;
  • 高效的有限元(FEM)算法无需用户设定Mesh即可得到平面上精细而平滑的每一个位置上的电压、电流值;
  • 内置的Constraint management使仿真支持复杂设计的设计规则检查(DRC);
  • 生成所有的电压、电流结果表格,并与预先设定的Constraints作比较;
  • 将DRC Marker反标回Allegro Layout文件。

PowerDC的典型应用

优化 PDN网络中的关键指标

  • 决定PDN层的铜厚
  • 找到PDN层能满足IR Drop需求最小的宽度
  • 进行快速的 “what if” 分析以比较不同设计的区别
  • 发现 PDN网络中的设计隐患
  • 找到系统中所有器件过压和欠压的条件
  • 指出布线中会引起额外压降的 neck down区域
  • 定位布线中会引起热可靠性问题的电流分布的 “hot spots”区域
  • 现超出设计指标的 via, bump和ball电流
  • 优化 VRM Sense Line的设置
  • 对多器件的系统智能选择 VRM sense line的位置 • 安全的增大VRM的输出电压进行最可靠的补偿
  • 输出其他系统分析需要的结果
  • 创建DC等效电阻模型
  • 进行包括 PCB, IC封装和on-chip模型在内的系统级IR Drop分析 • 输出热仿真工具可用的平面和过孔的电流分布文件
  • 定量的计算路径中的loop电阻以进行对比分析和correlation研究

PowerDC的优势与特色

业界第一个可以进行电源地平面 IR Drop DRC检查的工具,用户对象包括 layout工程师,system 工程师和SI/PI工程师。
可协助Layout设计人员发现PCB板中不易发现的很多设计隐患,如:器件的过压/欠 压,电流分布的Hot Spot,超标的 via、bump和ball电流,平面中的neck-down和 dynamic plane cut 区域等。而这些隐患常常会导致器件不能工作甚至发生局部过热 烧毁等后果。
内置的Workflow可确保用户可以在较短的时间内就能掌握PowerDC的正确使用流程。 最新的DRC反标功能使Layout工程师可以在后台调用PowerDC,并及时在PCB版图 中将出现的DRC错误加以改进。
全新的FEM仿真引擎在仿真精度和效率上有了很大的提升。其精细的三角形网格剖分 比其他工具采用的矩形网格在计算结果和显示精度上要先进很多,另外特有的快速算 法使工具即使在仿真大型PCB时也仅需数分钟的时间。
一般的CAD工具只能保证电源/地网络的连通,但是却无法得知连接的好坏;而高端的 SI/PI工具通常更适合于AC瞬态仿真。
PowerDC拥有Apple, Cisco, Dell, EMC和IBM等50多家知名客户,使用PowerDC来分析PCB和IC封装中的直流问题已成为业界的共识。
 
总之:
随着智能手机、物联网、可穿戴设备应用的发展,PCB将会朝着更加高密度、工作定压更低、工作电流更大的方向发展,PCB设计过程都满了挑战,电源的DC问题将会对PCB的设计成败造成更加深远的而影响。
幸好,我们有Cadence的Sigrity PowerDC 仿真工具,是的我们在进行PCB设计前和PCB设计完成后都可以进行相应的PCB系统级DC电源仿真,找出电源、过热故障分析。
所以,接下来,老wu邀请您,一起手儿拉着手儿,一起开启Cadence Sigrity PowerDC的学习之旅。

吴川斌

吴川斌

11 Comments

  • 催更了,吴老师

  • 后续有没有更新啊?

  • 有没有具体的仿真教程电子书?

    • 不好意思 暂时木有 ╯︿╰

  • 明早帮你找找看 ASI 16.64 的要吗?

  • 你好,
    需要ASI16.63 32位仿真软件

  • 博主太给力了啊[emoji:ff5e]

  • 尽快更新哈

    • 好的哈 O(∩_∩)O~

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