HyperLynx（二十五）电源完整性之直流压降分析（二）

1.后仿真的直流压降
2.批量直流压降分析
3.如何改善电压下降较多的设计

1.后仿真的直流压降
(1)打开HperLynx软件。从目录中打开 C:\PI_Trng\lab2\exer2\ post_dc_drop.hyp，单击“Open”按钮，当打开板子时被问到是否用Man- hattan-style布线连接没有布线的网络，选择“否”，如图所示。

(2)在布线后仿真板子中，选择“Simulate PI”→“Run DC Drop Simulation(PowerScope”，打开直流压降分析对话框，如图所示。

(3)在对话框的“Power/Ground Net to Analyze”部分选择“1.5V”电源，与网络相连接的金属器件将出现在金属器件查看区域，如图所示。

(4)在对话框中，单击位于“Assigned Models”下方的“Assign”按钮，打开分配电源完整性模型对话框，如图所示。

在以下几步中，将为1.5V电源指定引脚和一个VRM模型。
(5)在分配电源完整性模型对话框中，在01部分3引脚的左侧来选择引脚，如图所示。

(6)在对话框的“VRM Model”中选择“Assign”按钮，打开如图所示对话框。

(7)在打开的分配VRM模型对话框中，在“Voltage”栏输人“1.5”，如图所示，单击“OK”按钮。

注意，VRM模型参数将出现在Q1的引脚3的后面，如图所示。

(8)选中U30的AA4~Y20的全部引脚，如图所示。

(9)在对话框的“DC Sink Model”下选择“Assign”按钮，打开如图所示对话框。

(10)在编辑直流电源引脚模型对话框中，在“Apply Current to”的下拉菜单中选择“Whole Group”以选择全组网络，并设置电流为3A，如图所示。单击“OK”按钮。

(11)使用同样的方法为U40的AA15~Y25引脚分配5A的电流，如图所示。

(12)为U44的引脚4分配0.1A的电流。在电源完整性对话框中单击“OK”按钮。
到目前为止，已经分配了所有的负载和电源模型。注意，此时直流压降分析对话框的“Assigned Models”中出现了刚才分配的模型。现在开始准备对1.5V的电源网络进行仿真。

(13)在直流压降分析对话框中，设置最大电压降为75mV，其他约束设置选择默认值，如图所示。如果仿真结果超出约束的值，将会显示失败。

(14)在直流压降对话框中单击“Simulate”按钮，将会弹出一个进度条，显示仿真的进程，如图所示。一日仿真完成，将会弹出仿直结果报告。

(15)当仿真完成后，电源视图窗口出现，选中“Auto span&origin”，将会看到1.5V电源网络的三维视图。确认在“Graph type”下的“DC Drop Voltage”被选中，如图所示。

(16)正如电源视图窗口的左上角所示，1.5V电源网络跨越了三层板(1、2、4层)。单击窗口右上角的“Layer Options”按钮，只选中第4层，如图所示。

为了研究跨越层的电压降，在设计中添加一个阈值会很有作用。对于本次试验，电压降远远小于1.5V的5%也就是75mV。
(17)在电源视图窗口中，阈值部分选中第一个阈值选项，设置阈值为1425mV，如图所示。

(18)单击窗口中的控制按钮进行查看。
接下来的几步操作用来观察1.5V电源层上的电源密度。
(19)在窗口的“Visual Options”下选择“DC Current Density”，显示如图所示。

(20)不选中“Auto span&origin”，设置Span为55mA/mil，这将有助于夸大高电流密度的显示。

(21)练习使用电源视图窗口上方的控制盒，其按钮功能如表所示。

(22)练习使用Visual Options、选择Grid，TPlane模型和网状模型，可以看到这种模型将添加一个参考平面视图，如图所示。

注意，还会有一个仿真结果的文本报告，这个报告会指出在每个源端和负载引脚的电流和电压，以及引脚到平面通道的电流和电压。它也会包含一些布线信息，可以在仿真结果文本报告中单击突出显示的文字弹出板子中的具体位置，如图所示。

(23)在报告窗口中单击Voltage source vias.结果如图所示。

(24)单击突出显示的通路坐标，注意到鼠标将跳跃到电压源输出所连接的通路，如图所示。

注意，所有的电流中只有一条能反馈到1.5V电源。这可以解释高电流密度和电压降(当电压源为1.5V时，电压平面是从1.46V开始下降的)。如何才能阻止这种电压降的发生呢?
猜想两种不同的方案，记录电流密度曲线。
在接下来的操作中，将进一步验证猜想方案的有效性。

(25)关闭报告窗口。
(26)从“BoardSim”窗口中选择“Export”“Net To”“Free-Form Schematic”。如图所示：

(27)在打开的对话框中改变输出文件名称，由“nonet.ffs”修改为“1p5V.ffs”，取消对“Export to Free-Form Schematic Editor”的选中。在“Supply”下选择“1.5V”和“GND”选择“Open exported file in LineSim”设置如图所示：

(28)单击“Export”按钮。LineSim打开导出的网络，最大化PDN编辑器窗口，如图所示。

(29)从LineSim菜单栏中选择“Simulate PI”→“Run DC Drop Simulation (Power- Scope)”，打开如图所示对话框。

(30)在BoardSim仿真中设定相同的约束，然后单击“Simulate”按钮，仿真进度如图所示。

电源视图和报告窗口需要一段时间打开。忽略“cannot locate current sinks”信息，单击“Yes”按钮继续，这些信息与所观察的信息无关。仿真结束后，第4层的仿真结果与之前在BoardSim中得到的结果是一致的，如图所示。

(31)关闭电源视图和报告窗口。
(32)在PDN编辑器的工具条中单击“Select Active Layers”按钮‘三’，打开如图所示对话框。

(33)在打开的对话框中单击“Hide All”按钮，结果如图所示。

(34)在“Show”下面选中第4层，如图所示。单击“Close”按钮。

(35)使用“Area Zoom”按钮来放大锁定区域。
(36)单击“Add Copper Area”工具按钮“z”，使用鼠标来绘制矩形连接电压层两个有落差的部分，如图所示。

(37)关闭添加矩形对话框。
(38)在菜单栏选择“Simulate PI”→“Run DC Drop Simulation(PowerScope)”，打开如图所示对话框。

(39)与之前一样设定相同的约束规则，然后单击“Simulate”按钮，忽略“cannot locate current sinks”信息，单击“Yes”按钮继续。当仿真完成后，在电源视图窗口中观察电压形状，注意到在曲线电压较低部分少了很多，如图所示。

(40)在本次练习中，使用PDN编辑器在LineSim中对之前出现的电压降完成了一个可能的修复，并使用电源视图来验证。
(41)关闭电源视图和报告窗口。保存并退出LineSim。

2.批量直流压降分析
(1)从“开始”菜单中打开HyperLynx:“开始”→“所有程序”“Mentor Graphics SDD”→“HyperLynx”→“HyperLynx Simulation Software”
(2)在菜单栏中选择“File”→“Open Board”，打开BoardSim文件batch_dc_drop.hyp,如图所示。

(3)如果得到一个关于未布线的网络的信息提示，则单击“否”按钮，如图所示。

(4)从BoardSim的菜单中选择“Simulate PI”→“Run DC Drop Batch Simulation打开如图所示对话框。

在批量直流电压降分析对话框中选择网络，并对其进行仿真。“Filters”栏用来在列表中找到要找的网络，起初所有网络都是被选中的状态，单击“Uncheck All”按钮来撤销选中，如图所示：

(5)选择“2.5V”和“1.8V”网络，如图所示。接下来将为选中的网络分配模型。
(6)在对话框中单击“Assign Models”按钮，打开分配模型对话框，如图所示。

(7)在打开的对话框中，在“Power-Supply net”栏中选择“2.5V”类型，然后单击“Apply”按钮，结果如图所示。

(8)要想为一个引脚分配模型，可单击它旁边的灰色框。选择J1_MEM_L1部分的7号引脚，设置对话框，如图所示：

(9)为这个引脚分配直流模型，在“DC Sink Model”部分单击“Assign”按钮，打开编辑直流电源引脚模型对话框，对话框设置如图所示。单击“OK”按钮。
(10)在分配电源完整性模型对话框中，向下滚动鼠标，选择Q4的2号引脚，如图所示。

(11)在对话框的“VRM Model”下单击“Assign”按钮，为这个引脚分配VRM模型，在打开的对话框中设置参数，如图所示。单击“OK”按钮。
(12)重复上述步骤，为1.8V网络添加模型:为U29.AA8添加5A DC sink，为U42.3添加一个VRM，如图所示。

(13)单击“确定”按钮关闭对话框。
(14)保存文件，输入“2.5V&1.8V”作为文件名称，单击“Save”按钮，如图所示，软件自动添加.dcs扩展名。这个文件可以为以后相同设置的批量仿直所使用。

如果仿真时想得到三维的电源视图，可以选择电源视图对话框的左下角选项。然而，这将大大增加仿真时间。也可以通过单击对话框左下角的选项来创建电子表格仿真报告(Ex- cel或者CSV格式)。如果选中了对话框左下角的“Include Reference Nets”选项，那么在同一仿真中参考网络也同时参与仿真。

(15)在“Batch DC Drop Simulation”对话框中单击“Run”按钮，开始仿真。
仿真完成需要一些时间，直流压降分析生成一个文本报告，其中包含每一个分析网络和连接引脚的最大电压降和电流密度，如图所示。通过单击报告中突出显示的引脚名称，鼠标会跳转到板子对应的引脚上。如果板子的电压降或者电流密度大于阈值(在批量直流电压降对话框中“Max Voltage Drop”和“Max Current Density”栏设定的值)，文本报告中将会出现实验失败的信息。这个报告中包含最大过孔电流，过孔的坐标也会在报告中显示。为每个网络生成更详细的报告，可以单击高亮显示的文字。

(16)可以通过单击重点显示路径来查看每一个仿真电源网络的详细报告。
(17)关闭报告窗口。保存并退出BoardSim编辑器。

3.如何改善电压下降较多的设计
在板级的电源设计中，很多工程师会遇到由于设计或项目本身的问题而导致电源确实存在电压跌落较多的情况，那么这个时候工程师应该怎么来解决这些问题呢?下面介绍几利常用于改善电源电压跌落的方法。

第一、在PCB 布局时，使用电端尽量靠近电源输电端。在一些大型且成长条形的设计中，经常会出现用电端与源端相隔较远的情况，布局时一定要考虑使源端与用电端尽量靠近。
第二、在 PCB 设计空间足够的情况下，增加电源平面铺铜的面积。这样可以增加通流能力，减小电源平面电压跌落。既可以在同一层增加电源网络的铺铜的面积，也可以在其他层增加，根据实际情况来定。
第三、在机械结构和设计允许的情况下，增加电源平面的铺铜厚度。
第四、增加电源平面层数，这也是为了使电源有更多的通流平面，以扩大通流面积，减少电压的跌落。
第五、如果电源端与用电端确实比较远，设计无法改善时，在用电端之前增加一级 LDO 电源设计。

以上只是一些在实际项目中总结出来的方法，当然还有一些其他的解决方案，如优化软
件使功耗降低、增大通风散热等，在此就不一一列举。总之，不管用什么样的方法，其目的都是使我们的设计产品性能更好，并且成本更低。

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