电源DC压降仿真分析流程详解

前言

随着人工智能、5G、大数据中心、终端设备、物联网的发展，整机系统的发展趋势是大功耗、大电流、低电压、高密度，这其中电源完整性(Power integrity，简称PI)设计的挑战越来越大。工程师需要在设计阶段进行电源完整性仿真分析，包括电源DC压降仿真、AC频域仿真、时域瞬态噪声仿真、电热仿真，以规避PCB设计中的电源风险。 本文介绍了采用芯和半导体HermesPSI软件进行电源DC压降仿真分析的流程。由于在单板PCB上从源端到芯片负载端的路径上，铜皮存在DC电阻，电源在PCB路径上就会产生电压压降，如果压降太大，芯片负载端的工作电压过低导致芯片无法正常工作，所以对电压进行DC压降仿真分析显得尤为重要。

电源DC压降仿真分析流程

1.PCB文件导入

首先我们导入PCB文件，菜单栏点击 Layout(可以支持.brd.mcm.sip等文档格式)

图1：导入PCB文件

选择要仿真的电源网络和GND，在Select nets/components to import 界面筛选需要仿真的网络NVVDD和PS1_NVVDD_DRVR_PH_R，还有GND，点击箭头导入到右边，点击OK，完成PCB文件导入。

图2：选择导入的网络

2.Stackup和Padstack设置

接下来在Project Manager窗口下双击“Stackup”，根据PCB文件设置叠层信息;

图3：叠层设置流程

DieMaterial是选择板材类型，在铜箔层，可以选择填充在铜箔的板材类型(注意：选的是跟PP一样的板材，因为只有pp才会流胶到铜皮层填充，core是不会流胶的)。

图4：板材设置

3.设置DC仿真流程

(1)创建DC仿真流程在Project Manager窗口选择“Analysis Setup”，右键选择“New Analysis Flow”， 然后选择PI DC。

图5：创建DC仿真流程

在”AnalysisSetup”下面就会出现PI_DC1，以及相对应的流程设置窗口。

图6：DC仿真流程示意图

(2)选择仿真的电源地网络在流程窗口双击Net，选择要仿真的电源地(注意：选择好后，一定要点击Apply按钮，才能生效)。(说明：本次案例仿真网络电源从Ps1_NVVDD_DRVR_PH_R出来，经过一个电阻到NVVDD网络，然后连接到芯片负载。因此，我们要把电阻后的网络也选上，一起进行仿真)。

图7：仿真流程窗口

图8：选择电源地网络

在选择电源地网络时，工具会列出定义为电源和地的网络。如果想要仿真的网络并没有定义成电源和地，请点击Project下的Net,然后选取网络，右键选择”Set as power” 或者”Set as ground”定义电源地网络。定义好后，该电源地网络窗口会变为power特性。

图9：赋予电源属性

(3)创建电阻模型由于本次仿真的两个电源网络通过一个电阻相连，因此需要给电阻赋置模型。在菜单栏，点击Models->PI Model Library进行电阻建模。

图10：创建电阻模型

在弹窗里进行模型库设置：在Sample处，鼠标右击选择Inductors;选中Inductors后，在右边模型处点击Add，新建一个模型，将Part Number改为Through;在Model栏目，下拉选择选取RL，设置R的值为0.001ohm。

图11：电阻模型参数设置

(4)电阻赋模型在流程窗口双击Model，弹出赋模型窗口， 右键选择Power_Power, 如下选择两个连接的电源，软件会自动将连接这两个电源网络的器件列出。

图12：导入电阻

回到赋模型窗口，选择RS5器件，在model列右键选取前面定义的through模型。赋置好后，点击Apply。

图13：赋电阻模型

(5)设置VRM双击PSI_DC WorkFlow窗口里的VRM, 在弹窗里选择相应的电源输出端的电源地网络，然后选择VRM的Type。有三种VRM Type可供选择，本案例VRM设置Multi_Phase_Sepatate_VRM。

图14：设置VRM

(6)设置VRM的Sense点

先设置senseP点，找到VRM senseP点的器件，选择senseP点的pin位置，右键点击fit selected。然后按照同样的步骤设置senseN点。

图15：查找VRM senseP点

图16：设置vsenseP反馈点

(7)设置sink

双击PSI_DC WorkFlow窗口里的SINK, 在SINK设置窗口里右键选择Add，弹出Add Sink窗口;选择好电源地网络，在列出的器件窗口中勾选G1器件作为电源输入SINK，然后点击OK按钮。

图17：设置sink点

图18：选择G1为sink点

可以看到一个SINK已经添加，名称为“器件号_正端网络名_负端网络名”。设置电压为1V, 电流40A。一定要点击Apply按钮使设置生效。

图19：sink点设置结果

4.运行仿真

双击Project窗口下的Analysis Setup里选择PI_DC流程，右键选取Run。

软件会开始仿真并在下方窗口显示进度栏。

图20：运行仿真

5.查看仿真结果

在PI_DC1流程右键选result查看结果。

图21：查看仿真结果

也可以显示压降、电流密度和功率密度的2D云图。

图22：查看云图结果

总结本文介绍了采用芯和半导体HermesPSI软件进行电源DC压降仿真分析的整个流程。整个流程包含以下步骤：PCB版图文件导入，选择电源地网络，创建电阻模型，设置VRM及sense点，设置sink，运行仿真并查看云图。 通过大量不同场景的实际产品验证，芯和半导体HermesPSI工具电源DC仿真精度和业界标杆相比差异在0.5mV以内，已经获得国内外众多客户的信赖。

关于芯和半导体

芯和半导体是国产 EDA 行业的领军企业，提供覆盖 IC、封装到系统的全产业链仿真 EDA 解决方案，致力于赋能和加速新一代高速高频智能电子产品的设计。

芯和半导体自主知识产权的 EDA 产品和方案在半导体先进工艺节点和先进封装上不断得到验证，并在 5G、智能手机、物联网、人工智能和数据中心等领域得到广泛应用，有效联结了各大 IC 设计公司与制造公司。

芯和半导体同时在全球 5G 射频前端供应链中扮演重要角色，其通过自主创新的滤波器和系统级封装设计平台为手机和物联网客户提供射频前端滤波器和模组，并被全球著名的半导体分析机构Yole列入全球IPD滤波器设计的主要供应商之一(Dedicated IPD Filter Design House)。

芯和半导体创建于 2010 年，前身为芯禾科技，运营及研发总部位于上海张江，在苏州、武汉设有研发分中心，在美国硅谷、北京、深圳、成都、西安设有销售和技术支持部门。其中，滤波器业务拥有自有品牌 XFILTER，由旗下全资核心企业，上海芯波电子科技有限公司负责开发与运营。

原文标题：【应用案例】怎样进行“电源DC压降仿真分析”?

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审核编辑：汤梓红