Cadence-PDN电源完整性分析

Cadence PDN电源平面完整性分析——孙海峰 随着超大规模集成电路工艺的发展，芯片工作电压越来越低，而工作速度越来越快，功耗越来越大，单板的密度也越来越高，因此对电源供应系统在整个工作频带内的稳定性提出了更高的要求。

电源完整性设计的水平直接影响着系统的性能，如整机可靠性，信噪比与误码率，及EMI/EMC等重要指标。

板级电源通道阻抗过高和同步开关噪声SSN过大会带来严重的电源完整性问题，这些会给器件及系统工作稳定性带来致命的影响。

PI设计就是通过合理的平面电容、分立电容、平面分割应用确保板级电源通道阻抗满足要求，确保板级电源质量符合器件及产品要求，确保信号质量及器件、产品稳定工作。

Cadence PCB PDN analysis电源平面分析主要可以解决以下几个问题：板级电源通道阻抗仿真分析，在充分利用平面电容的基础上，通过仿真分析确定旁路电容的数量、种类、位置等，以确保板级电源通道阻抗满足器件稳定工作要求。

板级直流压降仿真分析，确保板级电源通道满足器件的压降限制要求。

板级谐振分析，避免板级谐振对电源质量及EMI的致命影响等。

那么Cadence PCB PDN analysis如何对PCB进行电源平面完整性的分析？接下来，我将以一个3v3如下图所示的电源平面为例，来进行该平面的电源平面分析。

对图中3v3电源平面进行完整性分析，具体步骤将作详细解析。

在对该电源平面进行分析之前，我们需要首先确定PCB参数的精确，如：电源平面电平Identify DC Nets、PCB叠层参数Cross-Section等，这些参数都必须和PCB板厂沟通（板厂对叠层参数生产能力不同），在此基础上精确参数方能得到精确的分析结果。

这些参数也可以在PDN Analysis分析界面上点击Identify DC Nets，Cross-Section来调整优化。

1. 认识PCB PDN analysis分析界面调用Allegro PCB PDN Option或者Allegro SI-GXL的license打开PCB设计分析界面，然后在该界面中执行Analyze/PDN Analysis命令即可打开PDN分析界面。

其中主要有三个选项卡Power and Ground用以设置需要分析的电源平面和地贿赂平面并相关参数设置；Decoupling Capacitors用以设置PCB电源平面上应用的去耦电容参数；Components and Ports用以设定PCB中应用该电源平面的相关器件的激励端（Source）和接收端（Sink），下面将详细说明。

1.1 Power and Ground选项卡如下图所示：其中点击Select DC Nets将弹出电源、地网络列表，从中我们来选择需要分析的电源网络（3v3）以及对应的地回路网络（0），如下图所示，这里需要注意：必须有对应的地回路网络，没有回路，将无法进行分析。

选择好待分析电源平面后，我们需要定义相关的分析参数，如下面的介绍。

Ripple：允许的电源平面纹波极限，典型值2.5%；MAX. Delta Current：电源平面允许的最大极限电流；Target Impedance：电源平面目标阻抗——电源平面电压*纹波比例/平面极限电流，即Zmax=（Vdd*Ripple）/Imax，Imax=50%*MAX Delta Current（留有余量）；MAX.DC IRDROP：电源平面允许的最大直流压降值，压降超过该值，PDN分析将会报警；Current THold：电流阀值，电流值超过界限将会报警——电源供电的器件参数有该限值；Density THold：电流密度限值，电流密度超过该值即会报警——由器件参数中电流密度限值决定。

1.2 Decoupling Capacitors选项卡如下图所示：·在Configure decoupling capacitors区域选择待分析电源网络，然后在下面的电容参数区域，可以对设计中的去耦电容添加电容RLC参数，也可以在设计中添加不同频点的去耦电容，以提高电源平面的完整性。

1.2.1 添加去耦电容模型库在以上窗口中点击Library，即可指定设计中应用电容模型库，包括：选择当前设计中的去耦电容模型库；添加电容模型库——其中电容的频率参数直观的显示出来如下图所示。

1.2.2 添加去耦电容模型参数选择电源平面中应用的去耦电容，然后点击Add Model，其中需要添加电容的R/L/C模型参数如下图所示。

完成电容模型参数设定后，如果需要修改参数，可以点击Edit Model以编辑优化去耦电容R/L/C参数。

对于上图所示的电容模型参数，点击Plot Graph，即可在完成模型参数设置后实时看到准确的电容频域曲线，即可了解电容对哪个频段的杂波抑制效果最好——去耦电容频率特性由电容值Capacitance、特征阻抗ESR、特征电感ESL 及安装寄生电感Mounted Inductance等参数决定。

由上图所示，该电容模型将主要用以抑制8.76MHz频率的杂波激励，以确保3v3电源平面的完整性和阻抗连续性。

1.3 Components and Ports选项卡如下图所示：在Components and Ports 选项卡中，主要设置电源平面的返回路径、电源平面分析的激励源端（Source 电源接入引脚）以及电源平面接收端（Sink 电源使用的器件Pin ）——Source 为电源平面接入Pin （电源转换端接入端），Sink 为使用该电源的器件Pin 。

其中Sink 的选择，不需要选择全部的电源使用Pin 为分析Sink 端，只需要着重分析该电源使用频率最高的器件。

1.3.1 电源平面激励端接收端设置如上图所示，设置U12.4为Source 端（U12为电源转换芯片，实现10v-3v 转换，U12.4为3v 电平输出端），U15.AA5……U15.W11设置为Sink 端（U15为电源3v3平面主要使用芯片，AA5……W11为电源3v3平面的使用Pins ），设置完成后，U15上电源使用Pin 的允许电流为Current THold/电源使用Pin 的数量（分析时默认情况电流为平均分布），如下图所示。

Sink 电源平面接收端（器件电源使用引脚）的电流分析阈值为mA A N ld CurrentTHo PowerPins 4545.45221==1.3.2 电源平面返回路径设置在Components and Ports选项卡中，点击右上角的Return Path在弹出的Return Path Configuration对话框中可以设置电源的返回平面，即对应的返回地平面，如下图所示，指定电源引脚Power Pins对应器件Ground Pins的地网络——即可完成所有电源Pin的电流返回路径（对应地Pin）设置。

2. 电源平面仿真参数设置电源平面的参数设置，包括待分析电源平面，电源叠层参数，电源平面去耦电容参数，电源平面返回平面，以及激励端、接收端等参数的设置。

完成这些参数设置后，在真正进行电源平面的仿真分析前，我们必须完成电源完整性分析的仿真参数设定。

在PDN Analysis主分析界面中，点击Analyze->Mesh/Static IRDrop Analysis/PI Plane Analysis/PI Network Analysis命令都可以打开电源平面仿真参数设置界面，如下图所示。

在Power/Ground Plane的仿真参数设置界面中，点击Preferences弹出Preferences窗口，该界面即可用以设置电源平面仿真各参数，包括Mesh网格参数、仿真叠层参数、分析频域范围、分析温度参数等各类PDN Analysis仿真参数，改善这些参数可以优化电源平面分析的准确度、仿真精度以及仿真速度。

2.1 Preferences/General选项卡参数设置其中参数设置如下：Default参数——仿真默认参数，即PDN Analysis主界面的参数设置，不再赘述；Target impedance shape（Default）参数——电源平面目标阻抗曲线，包括平面阻抗曲线的拐点（Corner Impedance）、阻抗变化后的斜率（Slope）及其倍增量（Multiplier），即目标阻抗某范围内是保持不变的，超过该拐角频率后目标阻抗将以某个斜率值呈线性变化的趋势；Decoupling capacitor参数——去耦电容参数，包括电容安装后的寄生电感（Mounted inductance），以及去耦电容的去耦有效半径（0.005H）。

2.2 Preferences/Simulation仿真范围设置其中电源平面仿真参数如下：Frequency Domain频域参数——电源平面分析的频率分析范围，包括电源平面分析的起始频率（Lower Frequency）、终止频率（Upper Frequency）、频率扫描分析方式（Sweep Scale）以及频率分析次数（Sweep Number）；Time Domain时间参数——电源平面分析的时间参数，包括仿真持续时间（Duration Time），以及时间分辨率，即分析的时间采样率（Resolution Time）；Color Legend颜色参数——电源平面分析的颜色参数，可以设置分析结果显示的颜色设置如下图所示，设置完成后平面分析结果将以这个颜色参数在界面中显示分析的电压、电流、温度、电流密度以及平面阻抗等电压平面性能。

注意：PDN Analysis电源平面分析一般在1MHz-5GHz之间，频率小于1MHz 或大于5GHz的超低频或超高频时，电源平面分析就需要IC器件的内部分析模型，与PDN进行协同分析。

2.3 Preferences/Field Solver仿真求解算法设置其中电源平面分析的算法参数如下：Mesh Information…Rectangle参数——网格化参数设置，包括网格化尺寸，网格化的平面范围（Scope）等平面网格化参数；Field Solver Option算法参数——电源平面分析的算法选择设置，一般选择默认全波分析算法既可（Full Wave Model）；Ambient Temperature温度参数——环境温度设置，即默认的分析温度；Surface Roughness粗糙度参数——PCB表面曾粗糙度参数，板厂会有对应粗糙度参数，若不考虑PCB表面粗糙度，设置为0即可。

注意：Mesh网格化尺寸参数，有Fine/Regular/Coarse/Custom四种参数，其决定的电源平面的网格尺寸分别为1/20的波长（Fine），1/10的波长（Regular），1/5的波长（Coarse），波长=3e8/Freq。