苏浩航



基于混合仿真对高速电路电源网络的优化设计

苏浩航

（北京空间机电研究所，北京100094）

随着遥感相机工作频率的提高，成像电子学系统中的电源噪声成为影响图像质量的一个重要的因素，过大的电源噪声会干扰所传输视频信号，并影响到成像的清晰度和系统噪声。传统设计方法仅通过“目标阻抗”来判断电源阻抗是否满足要求，缺少对电源噪声的准确分析，且该方法将电源/地网络（P/G网络）中的电流设定为负载最大电流，容易造成电源“过设计”的情况。为此，文章提出一种新型的电源设计方法，该法将信号分析和电源设计结合一体进行，通过建立混合仿真模型对电源噪声进行分析计算，该混合模型包含了信号的传输通道模型、P/G网络模型、器件封装模型，并将器件驱动端口翻转引起的电流变化以及信号产生的回流引入仿真模型中。通过仿真计算不仅可以得到电源的瞬态噪声，还能够根据计算结果进行降噪设计，有效的控制了P/G网络上噪声的变化，采用本方法可以有效控制去耦电容的添加数量，保证了电源完整性设计的有效性和可行性。

电源/地网络（P/G网络） 瞬态噪声 信号完整性分析 封装模型 航天遥感

0 引言

随着遥感相机视频电子学的迅猛发展，传输宽带化和高速化已成为视频信号传输的主要特点，且由于相机工作频率的提高，成像电子学系统的噪声水平将成为影响图像质量（image quality，全文同），进而影响遥感器动态范围以及分辨率的重要因素。电源噪声[1-2]是系统噪声中不可忽视的一个重要分支，过大的电源噪声会干扰所传输视频信号，使得信号的噪声增大，并最终影响到成像的清晰度和整体系统噪声，因此在设计中对电源噪声进行有效控制是目前的研究重点。文献[3]提出了基于目标阻抗的设计方法，将混合遗传算法应用于电源设计，借助Cadence电源完整性仿真工具验证设计结果的有效性和合理性；文献[4-5]考虑到芯片实际工作电流并非恒定不变，而是一种动态变化的频率相关源，提出了一种新的基于目标阻抗与动态目标阻抗的混合仿真与设计流程；文献[6]提出将电流变化率加入到最大噪声算法的电流约束中，在任意电流变化率的情况下分析电源分布网络的最大噪声，从而获得更加真实的最大噪声；文献[7-9]提出计算电源网络等效电路得到电源阻抗，然后借助电流变化曲线将电源噪声从频域转化为时域的方法；文献[10]提出一种基于同步转换输出电流的新型目标阻抗的计算方法，采用瞬态电流输出值代替了传统情况下的最大电流值。

在目前的电源设计及分析方法里，PCB电源设计和信号设计是分别进行的，因此往往会造成对电源噪声无法准确分析，以及造成芯片I/O翻转产生的噪声与电源本身的噪声耦合在一起引入信号中，造成信号噪声过大的问题[11-15]。为此本文提出一种新的设计方法，将电源设计与信号设计结合在一起进行，在保证仿真精度的同时，对信号完整性和电源瞬态噪声进行同时分析，且该方法的分析结果更加直观，且避免了传统电源设计中的“过设计”现象。

1 目标阻抗

目前电源/地网络（P/G网络）系统设计应用比较广的一种方法是“目标阻抗（Target Impedance）”设计方法[3-4]。其核心思想是在预先给定电流变化的前提下，只要保证P/G网络的阻抗值不大于特定值，就可以控制系统电压维持在特定值之下。PCB上的P/G网络包括VRM（稳压模块）、去耦电容、电源地平面耦合电容，分别在不同的频率范围内做出响应。

目标阻抗的计算公式为：

目标阻抗分析将整个电源系统看成一个网络，以各个功耗器件的最大电流激励P/G网络。但是这种方法没有考虑芯片供电电流的变化对于电源阻抗的影响，可能会导致“过设计”现象，而且该法是在频域分析的基础上进行的，对于大多数设计师来说更关心的是电源纹波噪声等时域上的问题，因此本文在目标阻抗分析的基础上提出一种结合信号分析的混合仿真方法，利用这种方法可以观察电源时域纹波的 变化。

2 电源/信号混合仿真

2.1 混合仿真原理

图1（a）为传统电源设计模型，即将从VRM到芯片的电源输入管脚作为一个线性的网络，通过计算该网络的Z参数，分析该电源上的噪声，评估电源设计情况。对于电路设计者来说，该方法并不直观，因为Z参数是基于频域角度进行的分析，而设计者更希望能直观的看到时域上电源纹波的变化情况，因此本文提出基于信号分析和电源分析结合的混合分析模型，如图1(b)所示，芯片上电流的变化和波动直接与P/G网络相关，此时用于分析的电流值并不是一个估计值，而是与芯片直接相关的电流变化的瞬态信号，随着供电电流的变化就可以直接计算出电源上的纹波噪声。

（a）传统P/G网络模型 （b）基于芯片电流变化的P/G网络模型

2.2 仿真流程

本文提出的仿真模型结构框图和仿真流程如图2所示，具体如下：

图2 混合仿真流程

第1步：建立芯片管脚的封装模型，包括用于传输信号的管脚和连接电源和地的管脚，其管脚参数从器件的IBIS模型或器件手册中查找。

第2步：提取PCB上P/G网络的参数模型，提取的路径应从VRM到器件的电源输入管脚处。提取参数所用的软件为电磁仿真软件，提取的参数为散射参数模型。

第3步：提取PCB信号走线参数模型，提取的路径应从发送管脚到接收管脚，方法同上。

第4步：确定激励源信号类型，此时应该结合器件的实际工作情况，选取时钟信号、数据流信号或是使能信号，对各个管脚分别设置。

第5步：建立混合仿真模型，如图1(b)所示，发送芯片和接收芯片的电源输入要与P/G网络模型相连接，不单独使用直流电源供电。

3 仿真结果与分析

本文以某项目的高速信息处理电路为例进行分析，仿真软件为ADS。该电路在整个视频处理系统中担负的任务为接收各个主体相机的成像数据，对数据进行编码，并将编码后的数据通过数传接口传输到数传系统，该电路3.3V数字电同时供给FPGA和12片数据接口芯片。为了避免在成像信号传输过程中增加多余的噪声，因此该电路对噪声有严格要求，根据设计指标要求，电源波动不能超过供电电压的3%，即3.3V的电源噪声必须小于99mV。

对整个3.3V的电源结构建模如图3所示。对于电路的实际工作情况，建立了对应的12块发送芯片到FPGA的传输模型，发送芯片的供电电压为3.3V，每一片发送芯片用于发送3路数据和1路同步时钟信号给FPGA。供电的3.3V电源由外部提供，经过滤波等一系列处理，输送给发送芯片和FPGA的电源管脚。在模型中只考虑外部输入的电源为“干净”的，不考虑外部供电模块带来的噪声。

图3 仿真模型结构框

首先对单路数据信号的电源噪声进行了分析，分析模型如图4所示。该模型分析了单一路信号传输时电源的变化情况，包含了器件电源管脚的P/G网络模型、封装模型和信号传输模型，其中激励源信号为100MHz信号源，仿真结果图5所示。

图4 单路传输模型

（a）输入信号波形 （b）输出信号波形

（a）Waveform of input signal （b）Waveform of output signal

（c）单路电源纹波波形 （d）单路地纹波波形

如图5所示，（a）和（b）为信号输入和输出的波形，（c）为单路信号传输时引起的电源纹波，（d）为单路信号传输时地纹波波形。如图5（c）计算结果可知，单路的电源纹波波谷电压为2.697V，波峰电压为2.768V，因此单路数据信号中由于I/O端口翻转和信号回流引起了71mV的电源噪声（峰峰值）。为了进一步分析整个系统的噪声，根据图3的整体模型架构，对包含12路时钟信号和36路数据信号的整个系统传输情况进行了分析，总噪声纹波如图6所示，电源纹波波谷电压为3.382V，波峰电压为3.194V，因此整个系统工作在3.3V电源层上信号回流引起的噪声为188mV（峰峰值），电源的纹波噪声超出3%的波动范围，因此需要修改电源设计。对于电源降噪处理常用的方法为添加去耦电容[16-17]，或者是在PCB中修改VCC层等方法，我们选择了添加去耦电容的方法进行降噪。经过添加后的电源再次仿真如图7所示，电源纹波波谷电压为3.339V，波峰电压为3.249V，与图7相比，添加去耦电容后的电源噪声纹波下降了一半，噪声为90mV，降噪效果明显，满足了设计要求。

图6 添加去耦电容前电源纹波

图7 添加去耦电容后的电源纹波

4 结束语

相比于传统的电源设计方法，设计人员只能从频域的角度计算电源的目标阻抗，往往容易造成“过设计”的情况，但电源噪声与整个电路的实际工作状态相关，主要是由I/O翻转电流以及信号回流引起，是一种瞬态变化的噪声。本文提出了一种新型的结合信号分析的混合仿真方法，利用这种方法可以观察电源时域纹波的变化并进行电源降噪优化设计，降低信号噪声，增大系统信噪比，增强传输图像的清晰度，为高速信号传输打下良好的基础。

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（编辑：刘颖）

Optimization Design of the Power Network for The High-speed Circuit Based on Mixed Simulation

SU Haohang

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

With the increase of the operating frequency for the space camera, the power noise in the imaging electronic system will have a significant impact on the image quality, and excessive noise would disturb the signal transmission, blur the image sharpness and produce more system noise. In a traditional design method, the “target impedance” was used to evaluate the power impedance, which often resulted in “over design” due to lack of the accurate analysis of the power noise and setting the current in the power/ground (P/G) network to the maximum load current value. In the paper, a new method was proposed based on the mixed simulation model, which combined the signal analysis with the P/G network analysis. In the mixed model, the signal transmissions model, the P/G network model and the package model were all included, and the current caused by the I/O state change and signal circumfluence path in the P/G network was also taken into account. The transient power noise can be simulated and then noise reduction can based on the simulation results, thus effectively controlling the variation of the noise in the P/G network. The method was valid to control the adding number of the decoupling capacitors, making the power integrity design more efficient and feasible.

power/ground network; transient noise; signal analysis; package model; space remote sensing

TN41

A

1009-8518(2017)05-0050-07

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.05.007

苏浩航，女，1979年生，2008年获西安电子科技大学微电子与固体电子学专业博士学位，高级工程师。研究方向为遥感视频处理电路设计与分析。E-mail：suhaohang@qq.com。

2017-05-01

国家重大科技专项工程