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 4545.4522

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