电源的信号完整性分析流程

同步开关输出（SSO）引起的同步开关噪声（SSN）一直是信号完整性（SI）领域几十年来的热门话题（见下图）。一些人认为只有使用晶体管级模型的SPICE仿真才能提供DDR4等存储器接口所需的精度，以仿真在地址和数据总线上同时驱动多个信号。而即使使用SPICE仿真器和晶体管级模型，互连模型也需要包括信号、电源和地之间相互作用的细节。有些人认为这种模型只能使用矢量网络分析仪（VNA）从物理测试平台中提取。但是，如果您用一块生产好的PCB来执行物理模型提取，那么您已经处于产品开发周期晚期了，而大多数设计团队都希望在设计周期的早期进行这些仿真，以帮助优化电源分配网络、信号布线和内存控制器选择。

Cadence® Sigrity™团队一直在推广兼顾电源的信号完整性分析方法。现在，我们又有了一些新的成果。然而，在进一步讨论之前，您可能需要花一些时间来阅读我们的白皮书“应对’兼顾电源’挑战的内存接口设计”(https://www.cadence.com/content/dam/cadence-www/global/en_US/documents/tools/ic-package-design-analysis/sigrity-power-aware-tp.pdf)，从而了解一下我们的流程。

这篇白皮书回顾了兼顾电源的信号完整性分析流程，该流程提取了系统的互连模型（如封装模型、PCB模型、连接器模型等），然后将它们与IBIS（5.0+）器件模型级联，组成时域仿真系统。Sigrity SystemSI™多年来一直支持这种流程：它使用Sigrity提取工具从物理layout中提取PCB/封装模型，再将模型分配到各个模块以连接每个模块的信号、电源和地，然后使用类似SPICE的仿真器来运行时域仿真以生成用于后处理的波形。通过提取出的包含电源网络的互连模型、将适当的电源引脚从驱动缓冲器连接到接收缓冲器、以及在时域仿真中使用兼顾电源的IBIS模型，就能仿真出包含电源网络的非理想供电效应的信号完整性结果。

图：原仿真流程

只要时域仿真器可以处理大型、复杂的系统级仿真，并且所有模型都被正确提取，以及连接电源接地引脚的返回电流路径也是正确的，那么该流程就可以正常工作。

不幸的是，互连模型的庞大规模（即S参数）会导致仿真时间过长。当信号和电源网络一起被提取用于并行总线设计时，电路板和封装的S参数会有数百个端口。假如S参数模型在DC上没有信息，那么当S参数模型在低频范围内的表现不佳时，时域仿真便会遇到收敛问题。

另外，当设计团队从这种类型的仿真中获得结果时，他们还会面临调试设计问题的挑战：因为一旦封装和电路板模型被提取，layout中的所有物理信息都会丢失。因此，如果SI工程师想要纠正系统时域仿真方面的问题，他们就不得不重新回到layout进行更改，并再次提取模型。显然，这对于“what-if”分析并不理想。

我们能否拥有一种兼顾电源的信号完整性仿真流程，避免使用模型提取并降低时域仿真收敛失败的可能性呢？答案是肯定的。现在Sigrity SystemSI和SPEED 2000可以协同工作，使这一设想对于SI工程师而言成为可能。在Sigrity新的工作流程中，SystemSI不再从layout中提取模型，而是采用新模块直接连接到电路板或封装layout的方式。一旦启用流程，使用混合求解器的FDTD仿真将直接在后台的SPEED 2000中执行（见下图）。仿真完成后，仿真结果将返回到SystemSI以进行后处理和测量。对用户而言，界面和设置过程与使用提取模型的流程相同。

图：原仿真流程→新仿真流程

这两个流程的关键区别在于，新流程不是使用类似SPICE的仿真器，而是使用混合求解器的FDTD方法进行时域仿真。

该流程使设计团队能够通过直接访问封装或电路板layout来执行“what-if”分析，降低互连模型的复杂性，并使时域仿真收敛问题得到解决。

现在，您可能想知道我们白皮书中讨论的方法是否已经不再需要。也不尽然。如果您在设计周期晚期，并且有一些VNA提取的模型，那么这是使用基于模块的互连模型方法的绝佳时机。但是，如果您仍处于设计验证阶段，有权访问layout并期望进行修改，那么直接的FDTD仿真方法可能会是更好的选择。