SIwave电源完整性仿真教程

SIwave电源完整性仿真教程V1.0

目 录

1软件介绍........................................................................................................................................ 2

2.1功能概述 ............................................................................................................................. 2 2.2操作界面 ............................................................................................................................. 3 2.3常用热键 ............................................................................................................................. 4 2仿真的前期准备 ............................................................................................................................ 5

2.1软件的准备 ......................................................................................................................... 5 2.2 PCB文件导入 .................................................................................................................... 5

2.2.1 Launch SIwave方式 ................................................................................................ 5 2.2.1 ANF+CMP方式 ...................................................................................................... 6 2.3 PCB的Validation Check.................................................................................................... 8 2.4 PCB叠层结构设置 .......................................................................................................... 11 2.5仿真参数设置 ................................................................................................................... 12 2.6 RLC参数修正 .................................................................................................................. 13

2.6.1 RLC的自动导入 ................................................................................................... 13 2.6.2检视自动导入的RLC默认值 .............................................................................. 15 2.6.3批量修改RLC值 .................................................................................................. 18 2.6.4套用大厂的RLC参数 .......................................................................................... 19

3 SIwave仿真模式 ......................................................................................................................... 20

3.1谐振模式 ........................................................................................................................... 20 3.2激励源模式 ....................................................................................................................... 25 3.3 S参数分析 ....................................................................................................................... 30 4实例仿真分析 .............................................................................................................................. 32

4.1从Allegro中导入SIwave................................................................................................ 32 4.2 Validation Check ............................................................................................................... 33 4.3叠层结构设置 ................................................................................................................... 34 4.4无源参数RLC修正 ......................................................................................................... 34 4.5平面谐振分析 ................................................................................................................... 37 4.6目标阻抗（Z参数）分析 ............................................................................................... 40 4.7选取退耦电容并添加 ....................................................................................................... 44 4.8再次运行仿真查看结果 ................................................................................................... 45 5问题总结...................................................................................................................................... 47

5.1 PCB谐振的概念 .............................................................................................................. 47 5.2为何频率会有实部和虚部 ............................................................................................... 48 5.3电容的非理想特性影响 ................................................................................................... 48 5.4地平面完整与回流路径连续 ........................................................................................... 49 5.5电源目标阻抗 ................................................................................................................... 49

1软件介绍

2.1功能概述

Ansoft SIwave主要用于解决电源完整性问题，采用全波有限元算法，只能进行无源的仿真分析。Ansoft SIwave虽然功能强大，但并非把PCB导入，就能算出整块板子的问题在哪里。还需要有经验的工程设计人员，以系统化的设计步骤导入此软件检查PCB设计。主要功能如下：

1.计算共振模式

在PDS电源地系统结构（层结构、材料、形状）的LAYOUT之前，我们可以计算出PDS电源地系统的共有的、内在的共振模式。可以计算在目标阻抗要求的带宽或更高的带宽范围内共振频率点。

2. 查看共振模式下的电压分布图

避免把大电流的IC芯片放置于共振频率的电压的峰值点和电压谷点。原因是当把这些源放在共振频率的电压的峰值点和电压谷点的时候很容易引起共振。

3.侦测电压

利用电流源代替IC芯片放置于它们可能的LAYOUT placement位置的周围、同时放置电压探头于理想IC芯片的位置侦测该位置的电压频率相应。在电压的频率相应的曲线中，峰值电压所对应的频率点就是共振频率的发生点。

4.表面电压

基于电压峰值频率，查看这些频率点的表面电压的分布情况，把退耦电容放置于电压峰值和谷点的位置处。（这就是如何放置退耦电容的根据）

5.单端口的Z参数计算

计算单端口的（IC位置）的Z参数（通常使用log－log标尺，Hz）。通过Z参数的频率相应曲线，我们可以计算出我们需要的“电容大小、ESL大小、ESR大小”。（从中我们可以知道我们需要什么样规格的退耦电容）。

6.侦测实际退耦电容影响

使用内置的ANSOFT FULL－WAVE SPICE来侦测实际退耦电容影响（包括：共振、ESL、ESR、Parrallel skew等）。

7.选取电容

通过实际的AC扫描响应来选择需要的电容，包括电容的 R／L／C值。 8.侦测回路电感影响

在不同的位置放置电容来侦测路径的自感的影响。（这将决定退耦电容放置的位置）。

9.检测传输阻抗

使用多端口的Z参数来检测传输阻抗。

2.2操作界面

SIwave v3.5软件刚安装完的画面如图 1- 1所示，配置如下： 1.View \\ Windows：Circuit Elements\\Layers\\Nets Window 2.View \\ Toolbars：Coordinate Entry and Draw 3.View \\ Windows：Message Window

图 1- 1SIwave界面

1. View\\ Windows：Circuit Elements\\Layers\\Nets Window



每一行代表每一层layer的堆栈(stack)，叉叉符号表示该层各元素是否全显示。如果想显示第一层的traces但不想看circuit elements，就选第二个勾勾，但不选第四个勾勾，如图 1- 2所示。



小圆圈的核选按钮，代表目前选定的编辑层，这一层要选对，才可以正确的选定该层对象(trace\\via\\element\\plane)做编辑。 有颜色的长方框，代表该层的copper有没有要填满显示 如果直接在\"METAL-1\"文字上点鼠标右键，会跳出快捷选单\"Edit Layer Properties...\"。

 

图 1- 2 Layers

2.View \\ Toolbars：Draw

左边部份是主功能选单内的Draw \\ Circle, ..., Trace, Via，用来放置circuit element。选定要放置的对象后，记得还要选择\"Drawing Mode\" 。

右边部份是选择对象。可以用光标选定或是拉方框范围选定。选定对象前，记得要选择正确的对象属性，否则无法选到该对象。

例如：via=\"Geometry\"，port=\"Circuit Element\" View \\ Toolbars：Coordinate Entry

左边显示目前坐标；右边设定刻度单位，可以从mm改成mils 3.View \\ Windows：Message Window

在程序执行的过程中，Message还有旁边的Warnings/Errors会显示相关信息

2.3常用热键

 

Shift + 左键拖曳：整个图像在画面区域内搬移 ( View \\ Pan ) Shift + Alt + 左键上拖曳：Zoom in Shift + Alt + 左键下拖曳：Zoom out Alt + 拖曳：3D旋转

Alt + 左键双击：于上区域 -> 正视位 于下区域 -> 背视位 于左右区域 -> 侧视位

 



Ctrl + D：Fit All

2仿真的前期准备

2.1软件的准备

本教程中软件使用的版本分别是Cadence 15.7和SIwave V3.5。 SIwave软件的安装与破解都比较简单，这里不做叙述。

另外，为方便Allegro文件的导入，安装Cadence软件之后，可以安装Ansoft Links的Cadence集成工具(int_cadence_Allegro.exe)。安装成功之后，会有一个Ansoft的工具条，如图 2- 1所示：

图 2- 1 Ansoft的安装工具条

2.2 PCB文件导入

以Cadence Allegro的导入为例，介绍PCB文件的导入过程，有两种方式。

2.2.1 Launch SIwave方式

运行Allegro的Ansoft\\Launch SIwave菜单，如图 2- 2所示：

图 2- 2 Launch SIwave

弹出如图 2- 3框图：

图 2- 3 Start SIwave

点击OK，弹出如图 2- 4，图 2- 5所示框图：

图 2- 4 PCB文件导入过程中

图 2- 5 PCB文件导入完成后

即完成Allegro到SIwave的转换。

2.2.1 ANF+CMP方式

1.运行Allegro的Ansoft\\Write Ansoft Neutral File V2或V4菜单，如图 2- 6所示：

图 2- 6 Write Ansoft Neutral File

弹出如图 2- 7所示窗口：

图 2- 7 Export ANF

点击OK，即导出“*_v2.anf”文件。

2.运行Allegro的Ansoft\\Write SIwave Component File菜单，如图 2- 8所示：

图 2- 8 Export Component File

点击OK，即可导出“*.cmp”文件。 3.打开SIwave3.5

a.运行SIwave的File\\Import\\ANF…菜单，如图 2- 9所示：

图 2- 9 Import ANF

选择刚才从Allegro中导出来的“*_v2.anf”文件，弹出图 2- 10所示的窗口：

图 2- 10导入ANF文件之后

b.然后，运行SIwave的File\\Import\\Component File菜单，选择刚才从Allegro中导出来的“*_v2.cmp”文件，调入元器件，弹出图 2- 11所示的窗口：

图 2- 11导入cmp文件之后

至此，元器件的信息才被导入，即完成了Allegro到SIwave的转换。

2.3 PCB的Validation Check

首先进行PCB的Validation Check（有效性检查），如果Validation Check的结果有错误，要处理。

运行SIwave的Edit\\Validation Check…菜单，弹出如图 2- 12所示的对话框：

图 2- 12 Validation Check

点击Start，如果Validation Check的结果没有错误，会出现以下结果，如图 2- 13所示：

图 2- 13 Validation Check执行后的结果

如果Validation Check有错误，则要分别处理。

a. \"Self-intersecting Polygons\" Error，指的是PCB Tool自动铺铜后，有些地方会有铺铜不完整的情况，如所图 2- 14示。从Error message所显示的坐标

double-click即会跳到layout错误处，使用 \"Draw Rectangle\" 在merge mode把缝隙补齐就可以，如所图 2- 15示。

注意：请选择\"Rectangle\"补铺铜，不要选trace补，因为Ansoft视两者的属性是不同的，前者才是plane。

图 2- 14 覆铜不完全的地方

图 2- 15选择Rectangle 和Merge

b. \"Disjoint Nets\" Error

运行Nets \\ Misalignment \\ Select and view后，选Correct即可更正。 c. \"Overlapping Nets\"，可能是有些Net沒拉好，出现了重叠，如图 2- 16所示。修正或删除即可。

图 2- 16 走线重叠

d. \"Overlapping Vias\"，如图 2- 17所示，把重叠的via删除即可。

图 2- 17 过孔重叠

注意：Validation Check的Error message，有两点需要注意的：

1. 其所显示错误位置处的坐标，是采用使用者在做Validation Check当下的系统单位设定，所以要double-click让软件能正确指到layout错误处，必须把单位设定正确才可以；

2. SIwave v3.5的Validation Check后面两项的item，只显示Error，而不提供错误位置坐标的连结；而SIwave v4.0则全部check item都可提供错误位置的坐标连结，并且还提供\"Auto Fix\"功能。

2.4 PCB叠层结构设置

导入SIwave后的PCB会按照Allegro当中设置的安排叠层，而FR4的介电常数默认值是4.25，如果和生产所有的不一致，请进行更改，过程如下：

新增介质材料，并设定介电常数，即运行Edit\\material --> Dielectrics --> Add添加新的FR4介质材料，如图 2- 18所示，增加了一个介电常数为4.0的FR4介质：

注意：介电系数是一个会随频率微量变化的参数，但在SIwave内都是把它定义成constant。

然后，修改Layer Stack，运行Edit \\ Layer Stack (或按

)，如

图 2- 19所示，选择好新增的介质材料以及其他设置完成后，点击OK即可完成。

1

3

2 图 2- 18 新增介质材料

1

3

2

图 2- 19 修改Layer Stack

2.5仿真参数设置

仿真的参数可以全部用默认设定不改，或是修改一下个别设定。 运行Simulation \\ Options，如图 2- 20所示：

图 2- 20 仿真参数设置

Min. Coupled Trace Length：越高速的信号 (上升时间 Tr越小) ，长度越要设小。

Boundary Condition To Use：设Radiation Boundary比较符合实际情况，高速信号走板边时会有辐射损失。

2.6 RLC参数修正

2.6.1 RLC的自动导入

在PCB导入SIwave完成后，注意一下\"message window\"最下方是否有显示已经成功汇入的RLC总数量，如图 2- 21所示。若有很多的RLC没有抓到(没有被tool识别出来)，则需要查找原因。

图 2- 21 message window

如果发现只能看到R、L而看不到C，那是因为SIwave默认只会识别组件名称Rx、Lx、Cx，无法识别 命名为BCx、ECx...等的电容。所以电路图与PCB如果对RLC组件的命名非AnsoftLink所预期的那样，就会看不到正确的RLC信息。

注：所有未定义的电阻默认50欧姆，未定义的电容值默认0.1uF，未定义的电感值默认1nH。

在集成工具(int_cadence_Allegro.exe)的安装目录下即可看到...\\integrate4\\PartMap.dat，如图 2- 22所示，可自行编辑此文档。

图 2- 22 元器件映射表

依据使用者PCB上电容footprint的名称去对应，比方某个电路图上编号BC6的电容，采用的footprint名称是C-0603，那就编辑图 2- 23中以红框圈中的一行文字，将其指定为0.1uF电容。

图 2- 23 编辑理想电容映射图

如果要考虑非理想的元件特性，如电容的寄生电感、串联等效电阻效应，则以图 2- 24方式表示：

图 2- 24 编辑非理想电容映射图

2.6.2检视自动导入的RLC默认值

1. 检视电阻

在\"Component window\"中，展开\"Resistors\" \\ \"Local\"，如所示，可见此设计案中各种封装size的电阻，此时将鼠标光标靠近\"R2_1206_33\"的电阻，会自动出33Ohms字样，显示了该电阻值，如图 2- 25左侧所示。若进一步展开R2_1206_33，可以看到所有电阻编号，任意挑一个电阻以鼠标右键单击选定\"Fit Circuit Element\"，如图 2- 25右侧所示，SIwave v3.5就会自动跳到该电阻位置Room-In显示，如图 2- 26所示。

图 2- 25 检视电阻

图 2- 26某电阻的Room-In显示

若进一步选定电阻按鼠标右键，选择\"Edit Circuit Element\"，则会出现如图 2- 27的参数信息框。如果想要修改电阻参数，可先重命名\"Part Number\"，会发现之前的\"Resistance\"框由灰色变亮，然后即可进行修改，如图 2- 28所示。\"Reference Designator\"指的是电容流水编号。安装以上方式自行定义的model可供其它地方引用。

注意：只要在\"Part Number\"输入新的名称，那么所有的参数就可自行定义。

图 2- 27电阻参数属性框

图 2- 28电阻参数修改

2. 检视电容

同理，在\"Component window\"中，展开\"Capacitors\" \\ \"Local\"，如图 2- 29所示，可见此设计案中各种封装size的电容，但此处我们还看到了很多其它大厂的电容model，如AVX、Panasonic、Samsung...等。

电容的修改方法同电阻。

图 2- 29 检视电容

2. 检视电感（方法同上）

2.6.3批量修改RLC值

个别修改RLC值在上一小节已经有了说明，如果所有同一类型的电容有许多颗，可以通过以下方式一次更改所有同一类型的电容值。如图 2- 30所示，右键点击\"Edit Component Properties\"之后，修改图 2- 31中的值即可。电感电阻的修改方式相同。

图 2- 30 批量编辑电容属性

图 2- 31 修改电容参数

2.6.4套用大厂的RLC参数

如果新增电容，可以通过以下方式套用大厂的model。

新增一个电容前，先把某大厂（如AVX）的电容展开，选定想要的电容规格，按鼠标右键选择\"Place Component\"，即可开始摆放该电容于想要的位置，如图 2- 32所示。

图 2- 32套用大厂电容的model

3 SIwave仿真模式

注意：从Allegro中导入SIwave中的PCB、需要设置叠层结构、选择介质材料（见2.4 PCB叠层结构设置）以及设置电容的相关参数（见2.6 RLC参数修正）。

SIwave主要有3种仿真模式：谐振模式、激励源模式和S参数。

3.1谐振模式

PCB结构中电源和地平面之间构成谐振腔，因此存在谐振。SIwave通过求解齐次Maxwell's Equations得到2D谐振模式。实际上，走线和平面之间也会构成腔，也会有谐振。但在SIwave里面只能直接计算属性是Plane（平面）的结构的谐振，不能直接计算属性为Trace（走线）的谐振。RLC参数会严重影响谐振分布，在SIwave里面都可以考虑在内。

 当走线通过谐振较强的区域，信号相当于是走在一个浮动的参考平面上，SI会变差；若走线在此区域过孔，且该过孔形成的有效长度正好是谐振频点的1/4波长，则容易形成天线在近场带出该谐振频点。  四层板及多层板才适合做此分析，因为需要两个相邻的平面区域。  谐振区的改善方法：整合平面完整，或添加去耦电容。 以下是PCB板谐振模式分析的详细步骤。

1.选择菜单“Simulation\\Computer Resonant Modes…”，弹出如图 3- 1所示窗口：

图 3- 1 谐振模式参数设置

选择要仿真的谐振频率范围，以及仿真的谐振点数。

注：最大频率可以参考0.35/Tr设定，Tr为最小的上升沿时间。 2. 点击OK后，弹出如图 3- 2所示运行窗口：

图 3- 2 运行窗口

运行结束后，弹出如图 3- 3所示的窗口：

图 3- 3 运行结束后的窗口

3.拉开两个“-----NULL------”指示条，选择要分析谐振的两个平面。如图 3- 4所示：

图 3- 4 选择谐振的电源平面

选择完成后，点击Compute键，运行结束后，下半部分的窗口出现谐振平面列表，如图 3- 5所示：

图 3- 5 谐振平面列表

4.从谐振平面列表里选择其中一行，点击“Phase Animation”，弹出如图 3- 6所示窗口：

图 3- 6 Phase Animation

点击“Generate Frames”，在Frames栏出现从0~360度的相位值，同时在SIwave 主窗口的出现谐振的幅度和位置，在窗口的左边还有谐振幅度的比例，如图 3- 7所示。注意：右侧的两个图标要处于选中状态（

）。

图 3- 7 谐振模式图

SIwave是通过色彩的变化来表示谐振幅度的大小的，当局部的颜色变红或蓝色时，表示谐振的幅度达到设定的谐振幅度的最大值。颜色表示的幅度范围是可以修改的。

注：在颜色最红或最蓝的地方表示谐振幅度最高，可以根据谐振频率添加电容。

左键单击左边的颜色值条，弹出如图 3- 8所示窗口，最大缺省值是1V，最小缺省值为-1V，选择“User Defined”，输入最大最小值即可。

图 3- 8 编辑颜色条

点击图 3- 9中的三角框图，如图 3- 10所示。

运行，可以看到电源平面谐振的动态变化三维

图 3- 9 动态运行

图 3- 10 动态三维谐振图

3.2激励源模式

通过定义频变源或者恒定源(Fourier transformation)来看激励源的作用：传导和辐射效应。用这种模式时，在激励源处放置电压源，在需要探测处放电压探针。选择不同的地方放置电压源和电压探针，便可以测量各处的电压波动。

具体步骤如下： 1.添加电压源和端口 首先添加电压源，单击按钮现如图 3- 11所示的对话框：

，然后把鼠标移到要添加源的位置双击，出

图 3- 11添加电压源

选择要放置的层（例如分别选择SURFACE层和GND1层），然后点击OK。弹出图 3- 12所示的Set Voltage对话框，可以重命名电压源，并将电压改成实际的电压值，如3.3V。然后点击OK，电压源就添加好了。

图 3- 12 设置电压源属性

然后再添加端口（Port），先单击按钮击，出现图 3- 13所示对话框：

，然后把鼠标移到要探测的位置双

图 3- 13 添加端口

选择要放置的层后，点击OK，弹出如图 3- 14所示的Port Properties对话框，可以重命名端口，并可以更改端口的特性阻抗，一般默认为50Ohms。然后点击OK，端口就添加好了。

图 3- 14 设置端口属性

添加电压源和端口后的情况如图 3- 15所示：

端口 电压源

图 3- 15 电压源和端口添加完成

运

行

Edit\\Circuit

Element

Parameters…

（

或

按

图

标

）可以查看所有无源器件及探针的信

息，如图 3- 16所示：

选择菜单“Simulation\\Computer Frequency Sweep…”弹出如图 3- 17所示窗口：选择扫描频率的范围及计算的点数，以及仿真层面，按OK，仿真就会开始自动运行，如图 3- 18所示。

图 3- 16 查看元件属性

图 3- 17 频率扫描参数设置

图 3- 18 仿真运行中

仿真结束后，弹出如图 3- 19所示窗口：

图 3- 19 频率扫描结果

同样，点击按钮量的电压值。

，可以看到动态变化。显示出在电压源激励下，探针测

3.3 S参数分析

用SIwave可以计算端口的S参数，在关注的位置增加端口，计算已经定义的nets的S参数，然后通过节点电流电压关系转化成阻抗/导纳参数。包含了nets自身的反射和传输，以及nets之间的耦合。

在需要关注的位置加入一个Port探针，选择菜单“Simulation\\Computer S-,Y-,Z-parameters…”，弹出如图 3- 20图 3- 17所示窗口：选择扫描频率的范围及计算的点数，按OK，仿真就会开始自动运行。

图 3- 20 S参数计算

仿真结束后，最后弹出一个窗口，显示出各端口的输入输出的特性曲线，如图 3- 21所示窗口：

图 3- 21 S参数曲线

4实例仿真分析

下面针对一个实际电路板，进行电源完整性的仿真。

4.1从Allegro中导入SIwave

从Cadence Allegro中将图 4- 1中的PCB文件直接导入到SIwave中。

图 4- 1 PCB文件

导入过程如图 4- 2所示：

图 4- 2 导入过程中

导入完成后，如图 4- 3所示：

图 4- 3 导入到SIwave

4.2 Validation Check

首先进行PCB板的Validation Check，运行Edit\\Validation Check…菜单，点击Start，运行结果如图 4- 4所示：

图 4- 4 Validation Check的运行结果

Validation Check的结果没有错误，可以继续进行以下步骤。如果有错误，则要根据2.3节 PCB的Validation Check进行分别处理。

4.3叠层结构设置

运行Edit \\ Layer Stack (或按

)，叠层结构如图 4- 5所示。请务必按照实

际生产的情况来设置FR4的介电常数以及各层厚度等信息。具体设置方法参见2.4节 PCB叠层结构设置。这里作为案例演示不做任何设置。

图 4- 5 叠层结构

4.4无源参数RLC修正

RLC的导入是当成理想组件，并没有寄生参数；若要组件有寄生参数，要用户自己连结到对应组件库，挑选适当的组件编号，设置寄生参数。

由于是进行PI的Post-sim，这里主要关注电容的寄生电感（ESL）与等效串联电阻（ESR）。运行Edit\\Circuit Element Parameters…，查看无源器件的信息，如图 4- 6所示：

图 4- 6 导入的元器件信息

可以看出导入后的电容值都是理想的，即寄生参数值都为0。为使仿真准确可靠，必须正确输入电容的ESL和ESR。详细情况请参照2.6节 RLC参数修正。

首先根据使用电容的手册，查出厂家给出的ESL值和ESR值。请注意，根据封装的不同，ESL值和ESR值都是不同的。然后进行如下操作：

从Circuit Elements中展开Capacitors的Local项，可以看到使用的电容只有图 4- 7中所示的5类。

1

2

345

图 4- 7 Circuit Element中的电容

根据2.6.3节 批量修改RLC值的方法，在图 4- 8所示窗口中输入电容实际的Parasitic Inuctance和Parasitic Resistance的值。

图 4- 8 设置电容参数

例如，设置后的电容参数如图 4- 9所示：

图 4- 9 设置后的电容参数

同样，将其他几种电容的值依次修正。

修改后的无源器件信息如图 4- 10所示，电容的非理想特性参数得到了修正。

图 4- 10 修正后的电容参数

4.5平面谐振分析

选择菜单“Simulation\\Computer Resonant Modes…”，弹出如图 4- 11图 3- 1所示窗口：

图 4- 11 设置谐振模式

输入Minimum Frequency：1E+007以及Modes to Compute：5，点击OK，

运行结束后，弹出图 4- 12所示窗口：

图 4- 12 谐振模式计算结果

选择两个平面层，GND1和POWER1后，点击Compute，如图 4- 13所示，

图 4- 13 选择电源平面层

运行结束后，弹出如图 4- 14所示窗口：

图 4- 14 GND1和POWER1的谐振模式结果

从图中可以看到这5个模式的谐振情况，以Mode 5：166.8MHz为例，谐振模式如图 4- 15所示：

图 4- 15 166.8MHz谐振模式的平面视图

可以看到，在板子中央的地方出现了谐振区域。

选择Mode 5所在行，点击“Phase Animation”，再点击“Generate Frames”，运行结束后，弹出图 4- 16所示窗口：

图 4- 16 Phase Aniation

点击

，观察动态三维图，如图 4- 17所示：

图 4- 17 166.8MHz谐振模式的动态三维图

4.6目标阻抗（Z参数）分析

点击

，回到Top-Down视图。

注：无源器件、激励源以及Port只有在Top-Down视图中才能添加。 点击

添加一个S端口，在图 4- 15 所示的区域处双击，弹出图 4- 18所

示窗口。

图 4- 18 选择端口所在层

选择POWER1和GND1，点击OK，弹出图 4- 19所示窗口，点击OK：

图 4- 19 端口属性

点击

，查看端口信息，如图 4- 20所示：

图 4- 20 端口信息

选择菜单“Simulation\\Computer S-,Y-,Z-parameters…”，按如图 4- 21图 3-

17所示窗口，设置扫描频率的方式、范围及计算的点数。点击OK，仿真开始自

动运行。

注：一般来说，S参数的极点和零点对应谐振频率(电磁场理论)。另外，如果宽频带内使用interpolating，可能产生伪解。建议在SIwave里面分段设置频率，并且使用Discrete的扫频方式。

图 4- 21 S参数扫描设置

仿真结束后，弹出Ansoft SIwave Reporter，如图 4- 22所示。

图 4- 22 Ansoft SIwave Repoter

从Results中选择S-Parameters，曲线如图 4- 23所示。S的极点即为平面谐振点，X2=165.8对应166.8MHz的谐振模式。

图 4- 23 S参数曲线

从Results中选择Z-Parameters曲线，如图 4- 24所示。从图中可以看出，X2=165.8MHz处的阻抗较高。

图 4- 24 Z参数曲线

4.7选取退耦电容并添加

基于电压峰值频率，查看这些频率点的表面电压的分布情况，把退耦电容放置于电压峰值和谷点的位置处。这就是退耦电容的选取原则。

添加退耦电容就是为了降低电源平面间的阻抗。

根据谐振频率点，从大厂的电容模型中，选择合适的退耦电容。某0805封装0.47nF电容的频率响应曲线如图 4- 25所示，自谐振频率为310MHz左右，可以为电源平面在166.8MHz附近起到退耦的作用。

图 4- 25 某电容的频率响应曲线

在相应区域的GND1和POWER1之间添加两个0.47nF的电容，如图 4- 26所示：

图 4- 26 添加两个退耦电容

4.8再次运行仿真查看结果

运行谐振模式分析，结果如图 4- 27所示，发现166.8MHz的谐振点消失了。

图 4- 27谐振结果

运行S参数分析，两次结果的对照如图 4- 28所示，加入退耦电容之后的S参数曲线较为平缓，在166.8MHz的极点也消失了。

加入退耦电容之后

加入退耦电容之前

图 4- 28 S参数对照图

Z参数曲线的对照如图 4- 29所示，加入退耦电容之后，在166.8MHz处的阻抗大为降低。

加入退耦电容之前

加入退耦电容之后

图 4- 29 Z参数对照图

其余谐振点的情况，可以参照以上方法进行处理。

5问题总结

5.1 PCB谐振的概念

平面谐振（Resonances in the planes）是能量被夹在两个平行板(power and ground plane)之间，因原始信号与其反射信号同相(phase add)而形成共振腔效应。该谐振频点的激发来自两种因素：

 同步开关噪声（SSN）：数字电路运作时，数字器件的大量逻辑门在同一

时序上瞬间同步转态，所引起的switching noise。

 地弹（ground bounce）：传输线上的信号透过过孔换层走线时，参考平

面（reference plane）改变，回流（return current）不连续所引起的。

由SSN所引起的resonance，可以用lump model与distribute model来解释。当逻辑信号的rise/fall time够小，也就是驱动信号变化很快，快到逻辑闸对power/ground plane间的等效电容充放电时，感受到电流从板子的一端流到另外一端的时间(round-trip delay)接近或大于信号的rise/fall time，足以在power path形成IR drop，那就必须把这两平面间的等效电容由lump model转成distribute model来分析。板子较小，或信号速度较慢时，平面之间的寄生电容效应可以用lump model就好，此时不需考虑resonance。这就像传输线模型是由lump model转成distribute model的情况 。

Fast drivers perceive the power-and-ground structure as a distributed object with a significant delay.

当我们考虑power/ground plane间的等效电容为distribute model，此时某个IO drive瞬间，会对驱动信号周围有限半径区域内的power plane，形成一个有IR drop波动的电源位准平面，开始了一个resonance的激发源，把这激发源想成像一个水波涟漪般的向周围扩散，当遇到板边时会产生反射，反射信号与原激发信号(SSN)如果相位同相加乘就发生resonance。

对于尺寸10~20英寸的板子，谐振频率大约在150MHz~300MHz，这也是为何我们可以靠下(0.1~0.01uF)电容，降低两个平面间的impedance以改善resonance，但这样的解法只能改善power-ground平面间的低频谐振成份，对于降低高频谐振效果不大。要降低两平行板间1~2GHz以上的高频谐振，则需要把dielectric layer尽可能做薄，或是使用电磁能隙[EBG]结构。但电磁能隙[EBG]结构会使得低频SI与IR drop特性较差 。

5.2为何频率会有实部和虚部

SIwave的计算结果出现虚部和实部，主要是因为微波理论里面的数学处理--在时谐场的分析中，各种电磁量都可以用复数表示。

在Maxwell's Equations里面，介电常数项只有实部，表示储存能量，对应的波常数也只是一个纯虚数；但是如果考虑到各种损耗辐射，也就是能量损耗，在Maxwell方程组里面将损耗并入介电常数里面，并以介电常数的虚部出现，这个时候介电常数成为一个复数Er = Real_er + j*Imag_er，因此计算出来得到的波常数k也就有实部和虚部：虚部和波传输常数相关，而实部和波的振动幅度有关(损耗)。

注：k是波传播常数，表示全相位2中有几个波长。

Q是品质因数，表示系统的耗能状态。

同时，这个波常数和频率相关，因此计算得到的频率也具有虚部和实部。在SIwave的结果中，也有k的选项，这项和谐振波长wavelength相关。另外还有Q值，这个值可以简单通过谐振频率的虚部和实部计算得到。

到现在解释所谓的谐振频率的虚部和实部：谐振频率的实部就是我们通常所谓的谐振频率，而虚部和各类损耗相关，并且和模式相关(不同模式的损耗不一样，即使在使用无耗介质，理想金属时。因为这个时候能量的辐射也带来虚部不为0)。

在SIwave设计中，一般情况下我们需要关心谐振频率的实部，关心谐振点对于IC模块位置的放置影响；但是如果频率的虚部也很大，那么一般对应的Q就会很小，这个时候您就需要检查一下Layout中是不是有大损耗器件存在或者其他原因。

5.3电容的非理想特性影响

对于做Pre-sim SI的需求来说，输入理想的RLC模型是可用的，但如果要做PI仿真与较正确的Post-sim，那么电容的寄生电感与等效串联电阻值(ESR)都要正确输入。

一般地，同种类的电容，封装越小寄生电感与等效串联电阻越小。而一般陶瓷电容与钽电容都应归类在较高频宽的电容，其在频宽的比较是有重叠的。例如10uF钽电容的寄生电感是比10uF陶瓷电容小的。

若de-coupling (by-pass)电容模型是理想的，此时只要电容有增加，不管电容的数量或位置，对PI Target Impedance（目标阻抗）的结果影响不大，target impedance也很平顺。但如果考虑了寄生电感与串联等效电阻的因素，就可以看出电容的数量或位置，对PI Target Impedance的仿真结果是很有影响的。因为很

多电容并联时，寄生电感效应会因为并联而减少，所以看target impedance的振荡也变平顺。为了改善resonant所加的电容，对改善PI改善也是有贡献的

因此，必须正确地输入PCB中的RLC参数。

5.4地平面完整与回流路径连续

90%情况下，维持地平面完整与回流路径连续是一致的，但这是两件事。在做SI设计或是降低电磁辐射，是要求做到回流路径连续，而维持地平面完整大部分情况下可以达到回流路径连续的。但是在多层板设计中，即使是参考平面完整，换层走线若是造成参考平面变换，仍然会造成地回路不连续的，这是需要特别注意的一点。

5.5电源目标阻抗

大部分数字电路器件对电源波动的要求在正常电压的5%范围之内。电源之所以波动，就是因为实际的电压平面总存在阻抗，这样在瞬态电流通过的时候，就会产生一定的电压降和电压摆动。

为了保证每个器件始终得到正常的电源供应，就需要对电源的目标阻抗进行控制，也就是尽可能使其降低。电源分配系统的目标阻抗定义为：

ZMAXVDDRippleIMAX

其中：VDD为要去耦的电源电压等级，常见的有5V、3.3V、2.5V、1.8V、1.2V等；Ripple为允许的电压波动范围；IMAX为负载芯片的最大瞬态电流变化量。

由上可知，随着电源电压不断减小，瞬间电流不断增大，所允许的最大电源阻抗也大大降低。随着电源电压的降低以及工作频率的提高，电源目标阻抗设计变得越来越困难。

在设计电源阻抗时，不但需要计算直流阻抗（电阻），还要同时考虑在较高频率时的交流阻抗（主要是电感）。所以受阻抗影响的电源电压波动为：

VdropiRLdidt

电源完整性通常关心的正是工作器件所承受的实际电源电压波动。