基于FPGA的IC設(shè)計(jì)驗(yàn)證平臺的的PCB PI軟件的仿真分析方法

1 引言

大多數(shù)非FPGA類型的、高密度IC（如CPU）對去耦電容都有非常明確的要求。由于這些器件僅為執(zhí)行特定的任務(wù)而設(shè)計(jì)，所以其電源電流需求是固定的，僅在一定范圍內(nèi)有所波動。然而，F(xiàn)PGA不具備這種屬性。對于一個(gè)設(shè)計(jì)好的FPGA系統(tǒng)平臺，在綜合時(shí)，可以按設(shè)計(jì)需要的頻率，跨越多個(gè)時(shí)鐘域，運(yùn)行幾乎無限多的應(yīng)用。由于無法確知一個(gè)新的FPGA設(shè)計(jì)的瞬態(tài)電流的變化情況，在設(shè)計(jì)FPGA系統(tǒng)硬件平臺的電源分配系統(tǒng)時(shí)，唯一的選擇就是采用保守的最壞情況設(shè)計(jì)法。

在低噪聲或高功率情況下，電源去耦網(wǎng)絡(luò)必須根據(jù)瞬態(tài)電流的需求準(zhǔn)確地度身定制，否則，接地反彈和電源噪聲將超出FPGA的電平限值。高速電路的性能很大程度取決于電源分配系統(tǒng)能否提供穩(wěn)定、安靜的電源電壓和電流。憑經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)電容去耦網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)常造成欠設(shè)計(jì)（引起EMI和穩(wěn)定性問題）或過設(shè)計(jì)（增加系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度）。因此，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)平臺時(shí)，利用電源完整性仿真軟件，對去耦網(wǎng)絡(luò)以及電源、地平面對（Power-Ground Plane pair）進(jìn)行仿真，通過修正電容數(shù)量和額定值，調(diào)整電容的布局，可以很好地避免欠設(shè)計(jì)或過設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)目標(biāo)阻抗?jié)M足要求。本文以基于Xilinx公司的Virtex-4芯片的IC驗(yàn)證平臺為例，介紹了電源完整性仿真分析方法在電源分配系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2 FPGA平臺的電平及要求

系統(tǒng)采用的FPGA是V4XC4VLX160-FF1513，具有16個(gè)I／O Bank。FPGA所使用的電源有：Vc-CINT、VCCO、VCCAUX以及VREF。每個(gè)I／O可以支持的電平有：1.2V、1.5V、1.8V、2.5V以及3.3v。由VCCO來決定所在Bank I／O的電平標(biāo)準(zhǔn)。從芯片的用戶手冊可以獲得SSO（Simultaneous Switching Out-put，同步開關(guān)輸出）限定信息，來確定該器件所使用的VCCO管腳數(shù)量。

在本文設(shè)計(jì)了5.0V、數(shù)字3.3V、數(shù)字2.5V、數(shù)字1.8V、數(shù)字1.2V五個(gè)電源分配系統(tǒng)。如下以數(shù)字3.3V為例，介紹采用Cadence公司的PCB PI軟件的仿真分析方法。

3 電源完整性仿真分析與設(shè)計(jì)

3.1 電源分配系統(tǒng)概述

電源分配系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)是目標(biāo)阻抗，其定義為：

電源分配系統(tǒng)必須在從直流到關(guān)注的最高頻率范圍內(nèi)，以低于或接近目標(biāo)阻抗來傳遞電流。一個(gè)電源分布系統(tǒng)由電壓調(diào)節(jié)模塊（VRM）、Bulk電容、高頻去耦電容以及電源地平面四個(gè)對象組成。它們在不同的頻率范圍內(nèi)對目標(biāo)阻抗起到?jīng)Q定性作用。

電壓調(diào)節(jié)模塊將一個(gè)直流電平轉(zhuǎn)換成另一個(gè)直流電平。其利用一個(gè)參考電壓和反饋環(huán)來探測負(fù)載處的電壓，并相應(yīng)調(diào)節(jié)電流大小。在直流至1kHz頻率范圍內(nèi)，系統(tǒng)的目標(biāo)阻抗主要由VRM來決定。

去耦電容分為電解電容（Bulk Electrolytic Ca-pacitor）和高頻陶瓷電容（High-Frequence CeramicCapacitor）。電解電容主要在kHz到1MHz頻率范圍內(nèi)起作用，而瓷片電容則在較高的MHz頻率（1MHz-400MHz）范圍內(nèi)起作用。其等效電路是典型的RLC串聯(lián)電路。

電源／地平面可以近似為一個(gè)電感和有效串聯(lián)電阻很小的電容。當(dāng)頻率很高時(shí)（大于400MHz），就需要調(diào)節(jié)電源／地平面的結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)的目標(biāo)阻抗?jié)M足要求。

3.2 單節(jié)點(diǎn)仿真

根據(jù)計(jì)算在系統(tǒng)中采用3.3V電平的I／O SSO電流總和不超過10A（由I／O連接的外設(shè)以及VCCO來決定）。選擇Artesvn Technologies公司的單輸出10A DC-DC轉(zhuǎn)換器作為電壓調(diào)節(jié)模塊（VRM），輸入5.0V，輸出3.3V，取動態(tài)電流（Delta Current）為10A，紋波容限（Ripple Tolerance）為5％。于是3.3V／GND電源地平面對的目標(biāo)阻抗為16.5mΩ。

去耦／旁路電容網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，一般而言，按電源情況，PDS的每個(gè)VCC電源管腳應(yīng)具備一個(gè)電容。將大量電容值并聯(lián)組合的目標(biāo)是在從500kHz到500MHz的頻率范圍內(nèi)，保持平穩(wěn)的低電源阻抗。高值（低頻）和低值（高頻）電容都需要。通常，低值電容對總阻抗的影響較小，因此需要使用更多的低值電容，使得其對阻抗的總影響與較少數(shù)量的高值電容產(chǎn)生的總影響相同。

為了保持平穩(wěn)的總阻抗值，防止出現(xiàn)反諧振尖峰，通常，每10倍電容值范圍至少需要1個(gè)電容。典型的陶瓷電容值范圍通常為從0.001μF至4.7μF。電容值越多越好，因?yàn)檫@樣產(chǎn)生的總阻抗值越平穩(wěn)。同時(shí)需要考慮PCB板的布局空間以及成本。

產(chǎn)生相對平穩(wěn)的阻抗的電容比率為電容值每降低10倍，電容數(shù)量約增加一倍。此外，需要鉭電容、OS-CON（SANYO的有機(jī)半導(dǎo)體鋁固體電解電容）的電容或其他電解電容等低頻電容。這些高值電容的ESR通常高于貼片陶瓷電容，因此可以在更廣泛的頻率范圍內(nèi)起作用，也因而不太容易產(chǎn)生反諧振尖峰。所以，不必嚴(yán)格遵循每10倍電容值一個(gè)電容的規(guī)則。一般而言，在從470μF至1000μF的范圍內(nèi)配置一個(gè)值就夠了。表3顯示了可實(shí)現(xiàn)平衡的去耦網(wǎng)絡(luò)電容百分比（經(jīng)驗(yàn)值）。然后通過運(yùn)行單節(jié)點(diǎn)仿真來驗(yàn)證選擇的不同值的電容數(shù)量是否可以在頻率范圍內(nèi)維持目標(biāo)阻抗？

對于電容的模型，陶瓷電容可以采用Murata、TDK網(wǎng)站提供的電容模型庫或Cadence Allegro軟件安裝目錄下的參考模型庫。而對于鉭電容，可以使用KEMET以及SANYO等公司的提供的Spice軟件提供的ESR、ESL、諧振頻率以及封裝信息，創(chuàng)建對應(yīng)的鉭電容模型。

所示為單節(jié)點(diǎn)仿真結(jié)果（考慮最高工作頻率為266MHz）。由于單節(jié)點(diǎn)沒有考慮電容在PCB中的具體位置，SQ-PI提供了一個(gè)電容數(shù)量的參考值／建議值。然后需要多節(jié)點(diǎn)仿真再進(jìn)行更精確的分析與驗(yàn)證。

3.3 多節(jié)點(diǎn)仿真

單節(jié)點(diǎn)仿真可以確定去耦電容的數(shù)量，但電源系統(tǒng)的阻抗不僅取決于去耦電容的數(shù)量，還取決于電容的分布位置。為了獲得更精確的結(jié)果，應(yīng)該布好去耦電容、噪聲源以及VRM，然后在整個(gè)頻率范圍內(nèi)進(jìn)行多節(jié)點(diǎn)仿真。不同于單節(jié)點(diǎn)仿真，此時(shí)SQ PI使用一個(gè)帶恒流源和恒壓源的理想電路來連接去耦電容和VRM。多節(jié)點(diǎn)仿真對物理設(shè)計(jì)中這些文件的實(shí)際布局進(jìn)行精確的仿真。

多節(jié)點(diǎn)仿真通過將電源平而分隔成用戶定義的網(wǎng)絡(luò)尺寸，并將VRM、噪聲源以及去耦電容連在網(wǎng)格中合適的節(jié)點(diǎn)，通過確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)附近的阻抗來進(jìn)行更精確的仿真。

為使仿真最準(zhǔn)確，網(wǎng)格中網(wǎng)孔的大小必須大于系統(tǒng)最高頻率對應(yīng)波長的1／10。系統(tǒng)的最高工作頻率為266MHz（DDR內(nèi)存模塊），電路板電介質(zhì)材料是FR-4，介電常數(shù)εr為4.5，于是波長如下：

電路板大小為122mm×205mm，故只需4×4的網(wǎng)格就可以準(zhǔn)確仿真。為便于分析，本文采用8×8的網(wǎng)格。放置好電容后。

在0-266MHz之間，波形大部分都在目標(biāo)阻抗以下，超出目標(biāo)阻抗的波形所代表的網(wǎng)孔都在電路板的邊緣，對電路影響不大，因此電容分布滿足要求。

4 總結(jié)

通過電路的實(shí)際測量，發(fā)現(xiàn)各電源分配系統(tǒng)均能很好的工作，與仿真結(jié)果基本一致。為了進(jìn)一步提高仿真精度，可以通過頻域測試，建立基于S參數(shù)或SPICE等效電路的電容模型庫，也有利于提高電源完整性仿真的效率。

本文討論的系統(tǒng)是FPGA的IC設(shè)計(jì)驗(yàn)證平臺，其電源完整性的分析方法對于其他類型的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)也有一定的借鑒意義。隨著系統(tǒng)頻率的提高，電源分配系統(tǒng)越來越復(fù)雜，PCB的電源地阻抗諧振現(xiàn)象變得更加突出，直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定工作以及產(chǎn)品級的EMI／EMC認(rèn)證，因此在IC或產(chǎn)品設(shè)計(jì)早期，應(yīng)該在系統(tǒng)層面進(jìn)行電源完整性仿真，模擬真實(shí)系統(tǒng)的行為，提前發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中潛在的電源問題，從而有利于提高產(chǎn)品系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，加快產(chǎn)品的開發(fā)上市。