第一章 电源完整性时域分析之示波器 第二章 电源完整性时域分析之专用测试探头 第三章 电源完整性频域分析之网络分析仪 第四章 电源完整性仿真之仿真软件 第五章 电源完整性激励域测试之码型发生器 第六章 电源完整性测试之直流瞬态电压及纹波噪声模拟 电源完整性的测试和仿真推荐配置。 第四章 电源完整性仿真之仿真软件 电源完整性的仿真
是德科技 EEsof 软件家族中的 ADS（Advanced Design System）是一个完整的高速电路仿真设计平台， 提供了完整的电源完整性设计解决方案。ADS 的版图设计环境集成了 SIPro/PIPro 仿真分析工具，通过对电源完整性进行仿真， 可以完成以下工作：
SI/PIPro 仿真分析工具包含以下功能：
下图 4-1 演示了 SI/PIPro 的软件界面仿真能力。
图 4-1 SI/PIPro 的软件界面
PI-DC 分析 由于过大的直流电压降，落在IC 电源端的电压可能低于建议的最低电压。这可能导致 IC 的故障。过高的电流密度在过孔处会生成过多的热量，引起电路板裂开或烧化，导致故障。PI-DC 可以计算直流条件下的电压、 电流，IR Drop (电压降)、 电源供应网功率损耗密度等。它可以帮助你识别IC 和连接器的管脚和连接过孔等在直流工作条件下流过的电流密度，显示芯片管脚电压， 并给出设计裕量。
（a）
（b）
图 4-2 直流电压降分析结果
PI-AC 分析用于提取PDN 阻抗特性，并且可以显示电流密度， 了解热点区域。提取的阻抗网络可以直接转化为 ADS 的原理图，与电压调节模块（VRM）模型和去耦电容进行优化。
去耦电容优化的目的是达到目标阻抗的要求。目标阻抗可以通过以下公式计算：
其中，∆ 表示最大允许的电源纹波， 是最大瞬态电流波动，通常设置为芯片最大电流的一半。
图 4-3 提取的 PDN 阻抗网络与 VRM 和去耦电容的联合仿真
图 4-4 仿真的 PDN 阻抗结果
ADS 提供了 10 余种优化方法， 可以实现去耦电容参数的快速搜索，实现最佳性能。通过分析去耦电容通过电流的大小， 可以剔除冗余电容， 降低设计成本。
图 4-5 PDN 阻抗的优化
电源平面谐振(PPR) 分析
电源平面谐振分析可以计算配电网络(PDN)的自谐振频率和相应的 Q 值。它可以帮助你实现去耦电容和过孔的优化布置。电源平面谐振会干扰敏感的模拟电路，并生成过量的辐射。这可能导致设计不能满足 EMC 规范。
图 4-6 电源平面谐振分析
电热联合仿真
电源完整性分析中还集成了电热仿真功能，能够实现电/ 热协同仿真。电源完整性仿真引擎(DC Drop) 对电源网络进行仿真，提供功率密度给热分析器，热分析器再根据器件功耗运行热分析，系统多次迭代上述过程，获取更新后的温度值直到仿真收敛。电热联合仿真温度显示分布图
图 4-7 PCB电热联合仿真分析
与电源相关的信号完整性分析（SIPro） SIPro 使用独有的混合算法，可以同时快速提取信号走线（包含过孔）与电源平面的频域模型。这一频域模型可以直接转换成 ADS 的原理图， 用于电路仿真， 如时域瞬态（Transient）仿真， 通道（Channel） 仿真， DDR 总线仿真等。
开关同步噪声（SSN）是电源噪声的主要来源，也是造成信号完整性性能下降的重要问题。要进行 SSN 分析， 需要有详细的元器件模型（通常是 SPICE 模型）， 这类模型通常难以从芯片厂家直接获得，并且仿真时间很长。IBIS 模型是由 IBIS Forum 提出的一种行为级模型， 它通过 I-V 和V-T 曲线表征芯片输入输出 Buffer 特性， 不涉及元器件的内部电路设计， 能够有效保护厂家的知识产权， 因此， 芯片厂家更愿意提供 IBIS 模型给用户进行信号完整性的设计。IBIS 5.0 和 5.1 的标准中提出了多个新特性（BIRD95.6，98.3，141）， 用于支持对芯片电源特性的描述。ADS 软件在业界率先实现了对以上新特性的支持，解决了之前的 IBIS 模型不能用于电源完整性分析的问题。
图 4-8 支持电源特性的 IBIS 模型仿真结果
传导仿真分析（CEMI）
随着在电子产品中往往需要进行 EMC 的检测分析，传导就是 EMC 的一种。为了更好地发现、避免以及解决传导的问题。在 PIPro 中可以利用 CEMI 对电路进行传导的仿真分析。下图所示为 CE 的仿真结果。
仿真后，还可以生成 test bench ，在 ADS 原理图中做进一步的电路分析，以找到解决问题的方法。
第五章 电源完整性激励域测试之码型发生器 引言
脉冲函数任意波形噪声发生器在压力测试应用中的重要作用
情况分析 集成电路芯片通常安装在印刷电路板（PCB）上，由电源分布网络(PDN)供电。使用每个集成电路芯片时，都必须考虑到它对电源分布网络的影响。大多数集成电路芯片只在改变状态时消耗电流，这种不规律的用电给PDN带来了很大失真，产生电源完整性的问题。
电源分布网络出问题，会对其它电路产生干扰，增加噪声，进而导致信噪比降 低，影响集成电路芯片输出端口处的信号完整性。在最坏的场景中，电源噪声有可能对集成电路的工作产生负面影响。同样，直流电源电平的波动也会干扰集成电路的正确工作。
为了限制这些不利因素的影响，硬件工程师设计了一系列保护电路。保护集成电路芯片的常用方法包括：使用去耦电容抑制电压波动，加入电感器限制噪声电平。可是所有补偿方法在最大限度减少直流电源失真的同时，也都存在各自的限制。
例如使用去耦电容时，电容器中的材料缺陷会产生等效的串联电阻。电容器和封装会产生等效的串联电感。这些寄生效应会严重影响电容器的技术特性。电容器在高频范围内的特性更像是电感或电阻器――有违于它在电路中的最初用途。
方案配置
在真实条件下测试元器件和电路是一个必不可少的环节。在这个过程中，工程师可以评估PCB 的设计和功耗。测试还可以使工程师深入了解被测对象，增强被测件的总体性能。
图 5-1 显示了在设计过程中模拟真实环境的有效方法。表5-1 中汇总了该方案的组成部分。在图 5-1 所示的配置中，Keysight E36311A 直流电源用于模拟被测电路中的电压源。Keysight 81160A 任意波形噪声发生器用于模拟信号失真。电源和噪声发生器的输出通过电感和电容器所构成的网络合并。电感 L 可以防止信号的射频分量进入直流电源。电容器 C 可以避免信号发生器（81160A）直流负载效应。这个网络在技术资料中经常被称为偏置 T 形接头，因为它的形状为 T 形，并可以提供“直流偏置”。
图 5-1. 模拟真实条件的测试装置
是德科技解决方案 直流电源 E3631A 80W 三路输出电源，6 V，5 A，以及 ±25 V，1A 或类似型号 发生器 81160A 或 81150A 脉冲函数任意波形噪声发生器 示波器 Infiniium S 或 9000 系列示波器
表5-1 （81150A 的噪声码型重复速率为 26 天。）
实现深入分析 Keysight Infiniium S 或 9000 系列示波器的一个主要特性是它能够校准测试配置。换句话说，示波器能够确认向被测器件（DUT）的输入端，是否施加了正确的直流电压和失真。（参见图5-1 中测试点（TP1）处的连接。）
在图 5-1 中的测试点（TP2）上，使用同一台 9000 系列示波器来分析集成电路芯片输出信号（图中画了两台示波器，但你可以只用一台示波器）。一旦 81160A 添加的失真变得太大而无法补偿时，集成电路芯片将产生物理层错误或协议层错误。这两类错误可以用示波器检测和分 析。
为了仿真真实条件下的功率失真，81160A 能够生成上升时间/下降时间仅为 1 ns 的快速脉冲、随机噪声和各种任意波形。该发生器的另一个关键特性是能够内部合并不同类型的信号，因此可以同时叠加电源分布网络中的高斯白噪声和间歇性毛刺。这种通道叠加（Channel Add）功能不仅能够灵活地生成复杂波形，而且避免了外部接线的麻烦。可选择的噪声发生器波峰因数， 以及可以在20 1 天内不重复噪声码型的功能，确保噪声接近于随机噪声，而不是确定性噪声（这些功能是其它同类仪器无法提供的）。图 5-2 显示了通道叠加和噪声产生功能的示例。在此例中，81160A 在通道 1 生成高斯白噪声，在通道 2 生成高斯脉冲，然后在内部合并这两种信号，再与电源的直流信号叠加，得到黄色轨迹。这是在时域中测得的结果。图 5-2 所示的绿色轨迹是FFT频谱分析结果 。利用这个功能，工程师可以深入分析被测器件的输出性能。
图 5-2. 81160A 任意波形噪声发生器 的通道叠加功能在时域（黄色）和 频域（绿色）下生成的压力信号示例。
结论 工程师在开发新的电子器件时会遇到许多挑战。印刷电路板上的集成电路芯片密度日益提 高，因此评测直流电源性能以及电源分布网络(PDN)对设计中其他元器件的影响也变得越来越重要。要正确评测设计，工程师需要使用能够模拟真实条件的测试配置。当工程师分析自己的设计时，测试方案各组件可以发挥重要作用，帮助他们最大限度减少失真并提高电源和信号的完整 性。
第六章 电源完整性测试之直流瞬态电压及纹波噪声模拟
如上图所示, 智能手机或笔记本电脑在待机或休眠状态时,通常电流较小(mA 级别),但处于工作状态下,消耗电流会瞬间提升至安培（A）级别。这种高达上千倍的电流动态会通常会导致供电电压出现明显的毛刺（幅度高达数十甚至数百 mV），造成处理器、存储芯片等 IC 无法正常工作。
如何对电源在上述动态电流的条件下输出电压瞬态特性，或者芯片设计时进行 IC 对上述供电电压瞬态的变化时的稳定性进行验证？
动态负载模拟验证电源的瞬态特性：
N6705C 直流电源分析仪的 N678x 系列 SMU 模块，支持任意波形的负载模拟，可以模拟幅度从 uA 级至A 级的大动态，us 至 ms 级的脉冲负载，并且支持高速，高精度的电压及电流实时波形的测量，用于精确评估 PMU, PMIC, LDO 电源的瞬态性能。
模拟具有瞬态特性的供电电压验证 IC 稳定性：
N6705C 直流电源分析仪
N676X 系列精密模组或 N678X 系列 SMU 模组，具有噪声小，精度高，电压调节速度快等特征，可用于任意瞬态供电电压模拟，用于测试电路或 IC 在电压瞬态时的可靠性。
典型配置
型号 描述 N6705C 直流电源分析仪主机，支持任意波形，示波器，
数据记录仪，电压、电流表等功能
N6781A 20V,±1A 或 6V,±3A SMU 模块 N6782A 20V,±1A 或 6V,±3A SMU 模块 N6784A ±20V,±1A 或±6V,±3A SMU 模块 N6785A 20V,±4A 或 6V,±8A SMU 模块 N6786A 20V,±4A 或 6V,±8A SMU 模块 N6761A 50V,1.5A 精密模块 N6762A 50V,3A 精密模块 14585A PC 端直流电源分析及控制软件
最后一 个部分，关于 电源完整性测试系统和仿真软件配置如下 ：
示波器部分
DSOS254A 2.5GHz 带宽 10 比特示波器
N7020A 2GHz 1:1 电源完整性探头（2 根）+N7023A点测套件
N2870A 35MHz 1:1 无源探头 (2 根)
建议但不必须 : N2820A 极小信号测试差分电压和电流探头(500nA 或 3uV )
建议但不必须：N8833B-1FP 串扰分析软件
网络分析仪部分
E5061B(Opt 005，3L5) 网络分析仪
1250-1250(x2),15442A
85033E
11667L
8120-1840(x4)
16201A(Opt 001),16195B
16092A,16192A(16192A/B/C/D,16197A 根据需要选择）,16047E
直流电源激励部分
高速数字信号的电源完整性激励部分
仿真部分
