电源完整性之AC去耦仿真实例（二）

1.后仿真的去耦仿真
2.去耦电容在后仿真分析中的作用
3.使用QPL文件为去耦电容分配模型
4.如何设计好电源系统

1.后仿真的去耦仿真

(1)在“开始”菜单中打开HyperLynx:“开始”→“所有程序”→“Mentor Graphics SDD”→“HyperLynx”→“HyperLynx Simulation Software”，如图所示。

(2)从菜单中选择“File”→“Open Board”，打开C;\PI_Trng\lab3\exer2\post_decou- pling. hyp 文件，如图所示。

(3)使用菜单命令“View”→“Highlight Net”来突出要分析的电源网络，打开如图所示对话框。

(4)在该对话框中，选择1.5V网络来查看视图对话框和突出显示的电源网络平面，如图所示。

(5)单击“Highlight”按钮，得到如图所示界面。

(6)单击“Close”按钮，关闭突出显示对话框。

(7)使用工具按钮田来放大板子下方的放置电源引脚的部分。在接下来的操作中，将为PDN阻抗的电源引脚分配参考网络。

(8)从主菜单中选择“Models”→“Assign Power Integrity Models”打开如图所示对话框。

(9)在该对话框中，在“Filters”区域输入参考标号“U40”和“1.5V”电源网络，单击“Apply”按钮，如图所示。

(10)按住Ctrl键的同时单击AH12、AH28、M12和M28引脚左侧的灰色框，如图所示。

(11)在对话框的“Reference Net”部分单击“Assign”按钮，打开如图所示对话框。

(12)在该对话框中，选择“GND”网络作为参考网络。注意到此时系统已经发现两个含GND网络的层，即第3层和第7层，可以用于1.5V网络的参考层，如图所示。

(13)单击“OK”按钮，关闭选择参考网络对话框。
(14)在分配电源模型对话框中，单击“OK”按钮关闭对话框。

(15)从主菜单中选择“Simulate PI”→“Analyze Decoupling(Decoupling Wizard)”打开如图
所示对话框。

(16)选择“New”选项来开始一个新的去耦分析。

(17)单击“Next”按钮 ，接下来可以选择网络进行分析，如图所示。

(18)突出显示“1.5V”和“GND”网络。可使用右箭头将其移动到分析网络的窗口
中，如图所示。

(19)单击“Save&Run”按钮运行分析，仿真结果如图所示。

假设我们运行一个集总分析，平面对本身是一个集总电容，结果看起来就像一个理想的电容器。默认的分析类型是“Lumped Analysis”。
下一步，将对电路做一个集总分析，通常情况下，在去耦设计通过了集总分析后，也就意味着阻抗低于整个频率范围的要求，再进行分布式分析。

(20)最小化Touchstone Viewer，在“Decoupling Wizard”对话框中，在分析类型中选择分布式分析，如图所示。

(21)在选择电路电源引脚时，只包含了指定参考层的电源引脚(AH12、M12、AH28 、M28)，选择所有的引脚，如图所示。

(22)在设置“Choose Easy/Custom”步骤中，可以选择简单预定义的选项，也可以设置详细选项。此处选择“Custom”，如图所示，单击“Next”按钮。

(23)在自定义设置界面，保留默认选项并单击“Next”按钮，如图所示：

(24)控制频率扫描步骤允许定义分析的频率范围和使用的抽样类型，可以在“Adap tive sampling”、“Logarithmic sampling”和“Linear sampling”中进行选择。为了减少仿真时间，设置频率扫描从1MHz到100MHz并且选择“Adaptive sampling”，如图所示。

(25)单击“Run ”按钮开始分析，结果将显示在Touchstone Viewer 中，如图所示。

注意:Lumped和Distributed分析的不同如图所示，可以看到共振出现在更高频率处(170MHz)。

在接下来的几步中，将减小1.5V和它的参考平面之间的电介质厚度，探索这一变化如何影响阻抗。

(26)最小化Touchstone Viewer
(27)关闭“Decoupling Wizard”对话框。
(28)通过单击“Edit Stackup”按钮或者在主菜单中选择“Setup”→“Stackup”→“Edit”打开叠层编辑器，如图所示。

(29)减小第3层和第4层之间的电介质厚度，由5mil变为2mil，如图所示：

(30)在叠层编辑器中单击“OK”按钮，关闭对话框。

(31)再次打开“Decoupling Wizard”对话框，单击“Run Analysis”按钮，结果如图所示，可以看到由于之前的结果会出现电流的叠加。

注意到通过减小电介质厚度降低了阻抗，在高频的阻抗上也有一些变化，主要是由于靠近板子边缘的引脚导致的。

(32)在Touchstone Viewer的“Parameters”下面，为了得到4个电源引脚的分布式仿真结果，在阻抗矩阵中选择所有的对角单元，如图所示。

(33)关闭Touchstone Viewer。关闭“Decoupling Wizard”对话框。
(34)保存并退出BoardSim。

2.去耦电容在后仿真分析中的作用

(1)从“开始”菜单中打开 HyperLynx:“开始”→“所有程序”→“Mentor Graphics SDD”→“HyperLynx”→“HyperLynx Simulation Software”，得到如图所示界面。

(2)选择“File”→“Open Board”，打开C:\PI_Trng\lab3\Exer3\post_decoupling_caps.hyp文件，当被问到是否为未布线的电路布线时，选择“否”，如图所示。

(3)在主菜单中选择“Setup”→“Power Supplies”，打开如图所示对话框。

(4)在对话框的底部，确保“1.8V”“2.5V”、“3.3V”和“GND”被列为源电压，并且为每个网络输入合适的电压值，如图所示：

(5)单击“OK”按钮。
(6)选择“Models”→“Edit Decoupling-Capacitor Groups”，新对话框显示电容器分组如图所示。这个过程是自动完成的，也可对它做一些修改。

(7)单击“Auto-Grouping”按钮，在打开的对话框中选择“Remove existing groups and perform complete regrouping”，如图所示，单击“OK”按钮。

(8)单击“Group1”旁边的加号展开它，如图所示。

(9)在Groupl的所有电容器中滚动鼠标，找到“Part Name”为“10N”的所有电容器。选中电容器后，单击<<按钮将其移出列表，如图所示。使用Shift键或者 Ctrl键能够同时选中大量电容器。

(10)选中左边的所有电容，在窗口右部单击“”，得到如图所示界面。

(11)在左边选择所有的“10N”电容，单击(>>按钮将其放在一个新组中。一个包含10nF电容的新的Group4将被自动创建，如图所示。
(12)单击“OK”按钮。
(13)选择“Models”→“Edit Decoupling-Capacitors Models”，在打开对话框中，所有4组都已列出，如图所示。这比较易于一次性为很多电容分配模型。

(14)单击Groupl旁边的加号展开它，得到如图所示界面。

(15)通过拖动“Part Name”和“Value”列之间的线拉宽“Part Name”列，拉到右侧，可见第一组电容的“Part Name”为0603，“Value”为100nF，如图所示，这使得为它分配模型时比较容易。如果“Part Name”的信息丢失，需要返回到电路叠层中从 Part属性中得到。如果只知道制造商零件号码，也可以查找供应商提供的数据表或电容器属性。

(16)当Groupl被选中，单击“Assign Model”按钮。
(17)在“Assign/Edit Capacitor Model”对话框中，设置电容值为100nF，设置ESR为36mOhm，ESL值为自动计算得到的，如图所示。在实际中，ESR值通常是由厂商提供的。

(18)单击 OK按钮。
(19)在分配去耦电容模型对话框中，通过单击Group1前的“-”来关闭分组。

(20)按照操作步骤(14)-(19)，为其余组分配以下模型，分别如图所示。

Group2(0805 caps):C=10μF ESR=3mOhm.ESL=Auto-Calculate
Group3(radial electrolytic caps):C=1200pF ESR=2mOhm，ESL=20nH。
Group4(0603 caps):C=10nF ESR=97mOhm ESL=Auto-calculate

此时，分配去耦电容模型对话框如图所示：

(21)单击“Close”按钮，关闭去耦电容模型对话框。

(22)在主菜单中选择“Simulate PI”→“Analyze Decoupling(Decoupling Wizard)”，打开如图所示对话框。

(23)在该对话框中单击“Next”按钮，得到如图所示界面。

(24)选择“3.3V”和“GND”作为分析网络，单击“Next”按钮，如图所示。

注意到我们之前分配的电容模型还在以前的位置，只有连接到3.3V和 GND 网络的电容组显示出来。

(25)单击“Next”按钮，选择“Quick Analysis”，如图所示，单击“Run Analysis”按钮。

生成的报告用于分析电容的详细信息，也包含进入电子表格的链接，如图所示：

(26)单击报告中的链接打开电子表格，如图所示，表格中包含了许多有用信息，如安装电感、共振频率和每个电容器安装质量等。

(27)查看内容后关闭电子表格和仿真结果报告。
(28)后退到“Decoupling Wizard”对话框，选择“Lumped Analysis”集总分析，如图所示，单击“Next”按钮，得到如图所示界面。

(29)单击“Calculator”按钮，打开如图所示窗口。

(30)输入瞬态电流的峰值为10A，如图所示，单击“下一步”按钮。

(31)额定电源电压和比例分别输入3.3V和5%，如图所示。

(32)单击“下一步”按钮，得到如图所示目标阻抗值。
(33)单击“完成”按钮。

(34)在“Decoupling Wizard”对话框中单击4次“Next”按钮，跳到运行分析页面。
(35)单击“Run Analysis”按钮，Touchstone Viewer打开并显示仿真结果，如图所示。

看起来是一个较完美的电源分配网络，因为在整个频率范围内阻抗曲线都在目标阻抗的下面。

接下来运行分布式分析，这部分练习将指导我们如何进行分布式去耦分析仿真，而这种仿真经常花费太长时间。

(36)最小化Touchstone Viewer。
(37)后退到“Decoupling Wizard”对话框，进入“Choose a Type of Analysis”步骤，选择“Distributed Analysis”如图所示。

(38)单击“Next”按钮五次，得到如图所示界面。

(39)在这一步，需要选择在PDN 阻抗中想要查看的IC 引脚。单击对话框右侧的“Add IC Power Pin ”按钮，打开如图所示对话框。

(40)在“Assign Power Integrity Models”对话框中，在“Filters”区域的“Reference”栏输入U40，单击“Apply”按钮，得到如图所示界面。

(41)滚动鼠标选择引脚“AV9”，如图所示。

(42)在对话框右下角的“Reference Net”下面单击“Assign”按钮，打开如图所示对话框。

(43)分配GND为参考网络，单击“OK”按钮，关闭此对话框。
(44)在分配电源引脚模型对话框中单击“OK”按钮，关闭此对话框。
(45)后退到“Decoupling Wizard”对话框，选择引脚U40.AV9，如图所示，单击“Next”按钮。

(46)在上述对话框中单击“Next”按钮，得到如图所示界面，选择“Custom”。

(47)一直单击“Next”按钮，接受默认设置，直到到达运行分析界面，如图所示。

(48)单击“Run Analysis”按钮，这一步需要较长时间。

两次的分析结果显示如图所示，在高频处分布式分析的PDN阻抗较高，是因为这是在一个单一的引脚上测定的，因此被很多电感限制影响。这包括平面的传播电感和阻抗测量。

(49)关闭Touchstone Viewer。关闭“Decoupling Wizard”对话框。
(50)保存并退出BoardSim。

3.使用QPL文件为去耦电容分配模型
在前面的实战练习中，使用了分配去耦电容组对话框来重组电容构成新组，并为新组分配了模型。在这一节的练习中，将学习如何通过名称和QPL(Qualified Parts List)文件为其分配模型。使用 QPL 可以重新为其他设计任务分配模型。

下面观察在PDN中不同的电容的影响。

(1)从“开始”菜单中打开 HyperLynx:“开始”→“所有程序”→“Mentor Graphics SDD”→“HyperLynx”→“HyperLynxSimulation Software”
(2)选择“File”→“Open Board”，然后打开C:\PI_Trng\lab3\Exer4\post_decoupling caps_qpl.hyp文件，当被问到是否为没有布线的板子布线时单击“否”按钮。本设计是和上一个练习相同的设计，不同的是将使用 OPL 方法为去耦电容分配模型。

(3)选择“Models”→“Edit Decoupling-Capacitor Groups”，打开如图所示对话框

(4)单击Group1前面的加号展开该组，如图所示。

(5)滚动Group 1的电容列表，如图所示，注意到主要由两个名称的电容组成: CC0603-100N-M 和CC0603-10N-J。

(6)单击Group2旁边的加号来展开组，如图所示。

(7)滚动Group2的电容列表，如图所示，注意到电容主要由CC0805-10U-J组成。
(8)单击“OK”按钮关闭对话框。
(9)选择“Models”→“Assign Models/Values by Part Name(.QPL File)”，打开 QPL 文件编辑器，如图所示。

(10)改变类型为“Decoupling Capacitor”，输入名称“CCO603-10N-J”，设置模型为“SimpleC-L-R”;设置容值为10nF，设置ESR为97mOhm(这个值通常是从供应商处获得的)，通过“ESL bycapacitor size”设置ESL，从其下拉菜单中选择“”，整个设置如图所示。

(11)单击“Assign Model”按钮，在对话框“QPL-file model assignment”区域下面将出现 QPL 文件，如图所示。

(12)设置另一个名称为CCO603-100N-M的模型，同样设置为“Simple C-L-R”，输入以下参数值:
C=100nFESR=36mOhm，ESL=bycapacitor sizeAuto-estimate
(13)单击“Assign Model”按钮，这部分将被添加到“QPL-file model assignment”区域下方，如图所示。

(14)重复以上步骤，为名称为CC0805-10U-J的模型分配以下参数:
C=10uF，ESR=3mOhm，ESL=bycapacitor size,Autoestimate。得到如图所示 QPL 文件。

(15)单击“File”→“Save”保存 QPL 文件，输人文件名“post_decoupling_caps_models”。
(16)关闭 QPL 文件编辑器。

在以下的几步中，将学习如何让软件解析为去耦电容分配模型使用的 QPL 文件。

(17)选择“Setup”→“Options”→“Directories”，打开如图所示对话框

(18)选择“Use QPLfile(s)to assign models”复选框，单击“Add File”按钮，打开如图所示对话框。

(19)浏览并选择刚才创建的 QPL文件，路径为C:PITng\lab3\Exer4\postdecoupling_caps_models.qpl，单击“打开”按钮，再次单击“OK”按钮关闭路径设置对话框。
(20)选择“File”→“Exit”关闭BoardSim会话。单击“Yes”按钮保存编辑内容。
(21)再次打开 HyperLynx9.0.选择“File”→“OpenBoard”打开C:\PI_Tng\lab3\Exer4\post decoupling caps qpl.hvp，当被问到是否需要布线时，单击“否”按钮。

(22)选择“Models”→“Edit Decoupling-Capacitor Groups”

注意，现在有一个已经由 QPL 文件创建的新的组，如图所示。

(23)展开 Group3，注意到RADIAL-1200U-J，这个电容是电解电容，用作去耦电容，它的寄生参数(ESR、ESL)和普通电容不同。单击“OK”按钮，如图所示。

(24)选择“Models”→“Assign Models/Values by Part Name(.QPLfile)”，打开如图所示对话框。

(25)改变“Parttype”为“Decoupling Capacitor”，输人新的“Partname”为“RA- DIAL-1200U-J”，再输入以下参数:C=1200uF，ESR=2mOhm，ESL=byvalue，20nH。单击“Assign Model”按钮，如图所示。

(26)选择“File”→“Save”，关闭 QPL 文件编辑器。
(27)选择“Models”→“Edit Decoupling-Capacitor Groups”。注意到，Group3已经变为QPL_RADIAL-1200U-J，如图所示。

(28)单击 Groupl 旁边的加号，选择 C54，如图所示。

(29)单击<按钮将 C54从这组中去除，如图所示。

(30)选择QPL_CC0603-100N-M组，单击>按钮将 C54 分配到该组，如图所示。

可以看到右侧只有4组 OPL组，每一组都是一个去耦电容类型，这个信息被保存在 QPL 文件中。
(31)单击“OK”按钮，确认设置。

在这个练习的其余部分，将观察在 PDN中不同类型的去耦电容对阻抗的影响。

(32)选择“Simulate PI”→“Analyze Decoupling”打开如图所示对话框。

(33)在“Decoupling Wizard”对话框中单击“Next”按钮，选择0.9V和GND 作为分析网络，如图所示。

注意，只有CC0805-10U-J用在这个平面。

(34)单击“Next”按钮，确保分析类型设置为“Lumped Analysis”，如图所示。

(35)单击“Next”按钮，进入设置目标阻抗界面，如图所示。

(36)单击“Calculator”按钮，在打开对话框中输人电流瞬态峰值为10A，如图所示，单击“下一步”按钮。

(37)在新打开窗口的“Nominal supply voltage”和“Max percentage ripple”栏输入0.9V 和5%，如图所示，单击“下一步”按钮。

(38)单击“下一步”按钮，得到如图所示目标阻抗。
(39)单击3次“Next”按钮，得到如图所示界面。

(40)在控制扫描频率页，设置最大频率为500MHz，如图所示。

(41)单击“Next”按钮，单击“Run Analysis”按钮。一旦仿真完成，Touchstone Viewer 即可打开，得到如所示阻抗曲线。

注意，会得到Z阻抗的奇异曲线，这是只有一个电容值的电源分配网络的特点。
在接下来的几步中，将观察其他电源的阻抗行为。

(42)在“Decoupling Wizard”窗口中，单击选择分析网络，取消选中0.9V，选择1.25V，如图所示，单击“Next”按钮。

(43)单击“Run Analysis”按钮，等到仿真完成，新曲线会出现在Touchstone Viewer中，如图所示。

(44)重复步骤(42)~(43)(取消选中2.5V，

选择1.8V，仿真结果如图所示。

注意:如果曲线和之前的曲线是一个颜色，可以双击曲线名称旁边的颜色盒子，选择不同的颜色，以便区分。

(45)重复步骤(44)(取消选择1.8V，选择2.5V)，得到的曲线如图所示。

(46)重复步骤(45)(取消选择2.5V，选择3.3V)，得到的曲线如图所示。

基于上述的仿真结果，可以看出2.5V和3.3V曲线有最好的阻抗特性。

(47)在“Decoupling Wizard”对话框中，单击选择电容模型。可以看到3.3V有3个不同的电容类型，如图所示。

(48)关闭“Decoupling Wizard”对话框。关闭Touchstone Viewer。
(49)保存并退出BoardSim。

4.如何设计好电源系统

前面的笔记里面对直流压降介绍了一些常用的解决方案，也是一个好的电源系统设计需要做到的，而从电源分配网络去耦的角度上分析，设计一个好的电源系统还需要注意一下几个方面：

（1）选用内阻较小的VRM；
（2）合理的电容组合，不要只用同一类电容，电容容值不要相差太大。
（3）电容并不是越多越好，使用不当，反而会引起反谐振。
（4）在电容布局时，越小的电容越靠近用电端芯片电源引脚。
（5）用引线连接过孔和电容焊盘时，引线尽量短，尽量粗。
（6）如果电容需要过孔与平面相连，在条件允许的情况下，使用两个或多个过孔相连。