介紹使用ADS仿真SI及其PI和CE的方案

是德科技的先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)（Advanced Design System， ADS）軟件是一個(gè)完整的高速電路仿真設(shè)計(jì)平臺(tái)，提供了完整的信號(hào)與電源完整性仿真解決方案。ADS 的版圖設(shè)計(jì)環(huán)境集成了全新的SIPro/PIPro仿真分析工具，可以幫助工程師快速高效地完成PCB 設(shè)計(jì)中信號(hào)與電源完整性的PCB布局分析和PCB后仿真。

SIPro/PIPro是內(nèi)嵌于ADS 版圖設(shè)計(jì)環(huán)境中的功能模塊，它包含獨(dú)立的仿真界面及仿真器，可以對(duì)版圖設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。目前， ADS 版圖支持多種不同格式的設(shè)計(jì)文件導(dǎo)入，如ODB++， Gerber， IFF, EGS，Allegro Brd 等。

SIPro/PIPro包含以下功能：

• PI-DC ，用于直流電壓降分析
• PI-AC，用于PDN 阻抗分析
• PPR（Power Plane Resonance Analysis），用于電源平面諧振分析
• Electro-Thermal，用于電熱聯(lián)合仿真
• Thermal，熱仿真分析
• SIPro（Power-Aware Signal Integrity Analysis），用于與電源相關(guān)的信號(hào)完整性分析
• CEMI（Conducted EMI），用于PCB 電源傳導(dǎo)仿真分析
• 阻抗快速掃描

下圖為SI/PIPro的軟件界面和仿真的基本流程。

SIPro/PIPro具有以下特點(diǎn)：

• 仿真速度快 ，比傳統(tǒng)平面或3D 電磁場(chǎng)仿真器速度提高10倍以上。
• 仿真精度高，可以與3D有限元法有相似的仿真精度。
• 仿真流程簡(jiǎn)便，界面友好。
• 可以方便地生成ADS 原理圖， 進(jìn)行電路分析。
• 可以仿真Tabbed routing等非規(guī)則PCB結(jié)構(gòu)。
• 便捷設(shè)置Back drill過(guò)孔。
• 可以任意設(shè)置信號(hào)或者電源端以及相應(yīng)的參考端。
• 有Python的接口。可以非常方便地管理電容模型庫(kù)。

1.PI-DC分析

由于過(guò)大的直流電壓降，落在 IC 電源端的電壓可能低于建議的最低電壓。這可能導(dǎo)致IC的故障。過(guò)高的電流密度在過(guò)孔處會(huì)生成過(guò)多的熱量，引起電路板裂開(kāi)或燒化，導(dǎo)致故障。PI-DC可以計(jì)算直流條件下的電壓、 電流、 IR Drop (電壓降)及電源供電網(wǎng)絡(luò)的功率損耗密度等。PIPro可以幫助工程師用戶識(shí)別 芯片等器件的管腳和連接過(guò)孔等在直流工作條件下流過(guò)的電流密度，顯示芯片管腳電壓， 并給出設(shè)計(jì)裕量。仿真結(jié)果還可以自動(dòng)生成報(bào)告。如下圖所示為電壓跌落的結(jié)果，包括了圖形化的結(jié)果以及數(shù)據(jù)表格結(jié)果。

PIPro輸出的電源結(jié)果中還包括電源樹(shù)等結(jié)果。如下圖所示為多相電源300A電流電路PI IRdrop的結(jié)果：

2.PI-AC分析

PI-AC分析用于提取電源分布網(wǎng)絡(luò)（PDN）的交流阻抗特性，并且可以顯示電流密度， 了解熱點(diǎn)區(qū)域。提取的阻抗網(wǎng)絡(luò)可以直接轉(zhuǎn)化為ADS 的原理圖，與電壓調(diào)節(jié)模塊（VRM）模型和去耦電容進(jìn)行優(yōu)化。

PI-AC分析允許在仿真中添加元件模型，如去耦合電容模型。軟件支持多種元件模型形式， 如理想集總元件， S 參數(shù)模型， 元器件廠家模型庫(kù)，自定義電路模型等。用戶可以一次為同一個(gè)元件定義多種模型， 可以方便地在多個(gè)模型間進(jìn)行切換。

PI-AC分析可以一次分析任意多個(gè)指定的電源網(wǎng)絡(luò)， 僅更換元件模型時(shí)不需要重復(fù)進(jìn)行電磁仿真。便可獲得新的結(jié)果。如下圖所示為PDN 阻抗曲線。

在PIPro中可以導(dǎo)入目標(biāo)阻抗曲線，通過(guò)與設(shè)定的目標(biāo)阻抗進(jìn)行比較， 可以確定當(dāng)前設(shè)計(jì)是否滿足阻抗要求。

當(dāng)設(shè)計(jì)阻抗不滿足要求時(shí)， 需要進(jìn)行阻抗優(yōu)化。PIPro本身自帶自動(dòng)優(yōu)化仿真。

PIPro可以自動(dòng)生成仿真電路原理圖， 用戶可以在ADS 原理圖中優(yōu)化或調(diào)諧元件模型， 選擇合適的元件組合。

ADS 提供了10余種優(yōu)化方法， 可以實(shí)現(xiàn)去耦電容參數(shù)的快速搜索，實(shí)現(xiàn)最佳性能。通過(guò)分析去耦電容通過(guò)電流的大小， 可以剔除冗余電容， 降低設(shè)計(jì)成本。

3.電源平面諧振 (PPR) 分析

電源平面諧振分析可以計(jì)算配電網(wǎng) 絡(luò)(PDN)的自諧振頻率和相應(yīng)的 Q 值。它可以幫助你實(shí)現(xiàn)去耦電容和過(guò)孔的優(yōu)化布置。電源平面諧振會(huì)干擾敏感的模擬電路，并生成過(guò)量的輻射。這可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)不能滿足 EMC 規(guī)范。

4.電熱聯(lián)合仿真

電源完整性分析中還集成了電熱仿真功能，能夠?qū)崿F(xiàn)電/ 熱協(xié)同仿真。電源完整性仿真引擎(DC Drop) 對(duì)電源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真， 提供功率密度給熱分析器，熱分析器再根據(jù)器件功耗運(yùn)行熱分析，系統(tǒng)多次迭代上述過(guò)程，獲取更新后的溫度值直到仿真收斂。電熱聯(lián)合仿真溫度顯示分布圖。

5.與電源相關(guān)的信號(hào)完整性分析（SIPro）

在高速電路信號(hào)完整性設(shè)計(jì)中， 信號(hào)電流的最短回流不僅包含地平面， 有的還包含電源平面。如果在提取信號(hào)走線S參數(shù)時(shí)， 僅考慮參考地平面， 不考慮電源平面， 仿真的結(jié)果會(huì)有很大的誤差。SIPro使用獨(dú)有的混合算法，可以快速提取信號(hào)走線（包含過(guò)孔）與地平面和電源平面的頻域模型。這一頻域模型可以直接轉(zhuǎn)換成ADS 的原理圖， 用于電路仿真， 如時(shí)域瞬態(tài)（Transient）仿真， 通道（Channel） 仿真， DDR 總線仿真等。

與其他仿真技術(shù)相比， SIPro具有以下特點(diǎn)：

• 可以考慮電源平面對(duì)回流路徑的影響。
• 不需要對(duì)版圖設(shè)計(jì)進(jìn)行切割或簡(jiǎn)化， 保持了地平面和電源平面的完整。
• 基于FEM 和平面電磁場(chǎng)技術(shù)的求解器，相比基于傳輸線等效電路的算法精度大大提高。
• 端口設(shè)置快速簡(jiǎn)便。
• 仿真速度快。
• 可以快速查看TDR/TDT及單端、混合模式的S 參數(shù)結(jié)果。
• 自動(dòng)生成電路原理圖。

同時(shí)仿真多路傳輸線的S參數(shù)，如下是選中的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)：

仿真后能快速的查看傳輸線的插入損耗、回波損耗及串?dāng)_，如下圖所示：

下圖所示為SIPro中仿真后查看傳輸線的TDR /TDT結(jié)果：

Layout工程師在設(shè)計(jì)的時(shí)候，總希望能快速地找到設(shè)計(jì)不規(guī)范或者不滿足要求的點(diǎn)，尤其是對(duì)于一些對(duì)成本要求非常嚴(yán)苛的2layers高速板，總是會(huì)存在很多阻抗不連續(xù)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。SIPro中的Rapid Scan就能滿足這種快速分析的要求。下圖所示是在SIPro中快速地查看傳輸線的阻抗情況：

6.傳導(dǎo)仿真分析（CEMI）

隨著在電子產(chǎn)品中往往需要進(jìn)行EMC的檢測(cè)分析，傳導(dǎo)就是EMC的一種。為了更好地發(fā)現(xiàn)、避免以及解決傳導(dǎo)的問(wèn)題。在PIPro中可以利用CEMI對(duì)電路進(jìn)行傳導(dǎo)的仿真分析。下圖所示為CE的仿真結(jié)果。

仿真后，還可以生成testbench，在ADS原理圖中做進(jìn)一步的電路分析，以找到解決問(wèn)題的方法。

總之，使用SIPro/PIPro可以非常快捷方便地完成PCB的信號(hào)完整性、電源完整性和PCB傳導(dǎo)的仿真以及提取傳輸線和電源系統(tǒng)參數(shù)模型的。

審核編輯：劉清