Sigrity PowerDC仿真

直流压降分析

本模块的内容包括:

◼ 直流压降仿真设置

◼ 电气规则约束设置

◼ 仿真结果查看

◼ 生成仿真报告

演示案例概况

本模块用到的 PCB 案例：

◼ 4 层 PCB 设计

◼ 4 个网络： +1.5V,、 +1.5VA、 +1.1V 和 GND.

◼ +1.5V 网络连接的器件有 U2 和 VRM_1p5.

◼ +1.5VA 网络连接的器件有 U_clk1

◼ +1.1V 网络， 连接的器件有 U1、 U2、 U_flash1、 U_flash2、 U_flash3 和 VRM_1p1.

◼ +1.5VA 和+1.5V 之间通过电感 L1 连接

本模块中，我们将会用 PowerDC 仿真 PCB 上从 VRM_1P5 到 U2、 L1 和 U_clk1 的+1.5V 和+1.5VA 网络的直流压降。

直流压降仿真设置

1. 开始菜单->Cadence Systems Analysis Sigrity2021.1->Sigrity Suite Manager。

2. 选择 PowerDC， 在右边窗口选择可用的 license 双击启动 PowerDC。

3. 在 Single-Board/Package IR Drop Analysis 的 workflow 中选择“Load Layout File” ， 打开“xxx\IR_PCB.spd”。

4. 在 workflow 中选择“Check Stackup”，打开 Stack Up 窗口。检查并设置金属层、介质层的厚度和材料参数,以及过孔镀铜厚度。 设置完成后点击 OK 按钮回到主界面。

5. 在 workflow 中选择“Set up P/G Nets”->“Skip setup P/G nets”。 在 Net Manager 页面，如下图

所示， 在 PowerNets 勾选“+1.5V”和“+1.5VA”， 在 GroundNets 勾选“GND”。

6. 在 workflow 中选择“Set up VRMs”。

7. 在 Wizard 页面选择“Create by using existing components defined in the layout file”， 点击Next。

8. Power Net 和 Ground Net 分别选择“+1.5V”和“GND”。 点击 Next。

9. 选中 VRM_1p5 器件。点击 Next。

10.设置 Nominal Voltage 为 1.5V。 Output Tolerance 和 Pin Resistance 不需要设置。 点击Next。

11.检查自动创建的 VRM 设置。点击 Finish。

12.在 workflow 中选择“Set up Sinks”。

13.在 Wizard 页面选择“Create by using existing components defined in the layout file”， 点击Next。

14.Power Net 和 Ground Net 分别选择“PowerNets”和“GND”。点击 Next。

15.选择 U2 和 U_clk1。点击 Next。

16.如下设置电流参数。 每个器件的电流设置为 0.2A（已实际电路参数输入总电流）； 这个电流在每个器件的各电源、地管脚平均分配； 设置器件管脚位置的直流电压约束为 1.5V +/- 2%； Pass/Fail 模式按照最差情况进行计算。 点击 Next。

17.检查自动创建的 Sink 设置。点击 Finish。

18.在 Set up Sinks 窗口，把“SINK_U2_+1.5V_GND”的电流从“0.2” A 改成“5”A。

19.在 workflow 中选择“Set up Discretes”。设置电源网络或者地网络之间的连接器件， 如本案例中连接+1.5V 和+1.5VA 的 L1。

20.在 Wizard 页面选择“Create by using existing components defined in the layout file”， 点击Next。

21.Net1 和 Net2 分别选择“+1.5V”和“+1.5VA”。点击 Next。

22.选择 L1。点击 Next。

23.设置 L1 的直流电阻为 0.05 Ohm， 最大通流能力为 1A。点击 Next。

24.检查自动创建的 Discretes 设置。点击 Finish。

25.在 workflow 中选择“Set up V/I Probes”。 可以设置添加的观测点的电压约束以及指定过孔的电流约束。

26.在弹出的 In-Circuit Probe Wizard 界面选择 Cancel。 在 Voltage Drop Analysis Setup -> Set up V/I Probes 页面手动设置电压电流观测点。

新建一个 Probe， Model 设置为“Voltage”， 电压约束为 1.5V。

27.选中刚刚创建的 Probe， 选择 Positive Pin， 然后在 Layout 区域找到需要添加电压观测点的电源节点右键单击， 在右键菜单中选择“Link the select node(s) to”->“Save with physical node”。在弹出的窗口点击 OK 确认。

29.选择 Negative Pin，在 Layout 中用同样的操作关联需要添加电压观测点的地节点。完成Voltage Probe 的创建。

30.在 Layout 中选择关心的过孔，在 V/I Probes 页面的空白区域右键单击， 选择“Add”， 添加电流观测。

31.在 V/I Probes 页面选中创建出来的 Current Probes，设置 Nominal Current 为 0.2A。

电气规则约束设置

32.在 workflow 中选择“Set up E-Constraints”。 设置 IR Drop 仿真的电气规则。

33.在 Constraint Setup->Sink Voltage 页面， 可以看到 Sink 器件管脚位置的直流电压约束为 1.5V +/- 2%。 有需要的话可以在这里修改这个约束条件。

34.在 Constraints Setup->Via Current/Current Density 页面，可以设置全局性的单个过孔的电流约束或者/和全局性的过孔上的电流密度。 这里设置单个过孔的电流约束为 0.5A，电流密度约束为 62A/mm2。

通过“Setup Via”和“Setup PadStack”选择还可以针对具体的某些过孔或者某些 PadStack 类型的过孔，约束其最大电流。

35.在 Plane Current Density、 Trace Current Density 和 Wirebond Current Density 页面可以分别设置 Shape、 Trace、 Wirebond 上的电流密度。 本案例中这几项电流密度均设置为62A/mm2。

保存文件并开始仿真

36.在 workflow 中选择“Save Files”， 保存 workspace 文件和 layout 文件。如果有需要的话，也可以用“Check Errors/Warnings”功能先检查 layout 的开路、短路错误。对于本案例，可以跳过Error Checking。

37.在 workflow 中选择“Start Simulation”， 开始仿真。

查看仿真结果

38.仿真完成后。 在 workflow 中选择“View E-Results Tables”， 查看仿真结果数据。

39.在 Results and Report->VRM Voltage 页面， 可以看到 VRM 实际输出电压为 1.5V，实际输出电流为 5.2A。

在 Results and Report->Sink Voltage 页面，可以看到 Sink 器件管脚位置的电源-地电压以及裕量。需要注意的是这个结果包含了电源网络和地网络上的压降。 这里我们可以看到这两个Sink 的电压都不满足要求，会显示一个红色的x。

在 Results and Report->Discrete Current 页面， 可以看到 L1 的实际电流是 0.2A，满足通流约束， 裕量是 0.8A。 会显示一个绿色的√。

在 Results and Report->Probe Measurements 页面， 可以看到所添加观测点的电压、电流数据。

在 Results and Report->Global Via Current 页面， 可以看到如下几个过孔的电流超过了 0.5A的约束。

在 Global Via Current Density、 Global Plane Current Density、 Trace Current Density、Wirebond Current Density 等页面，可以看到 Via、 Shape、 Trace、 Wirebond 等的电流密度不满足约束的报告。

40.在 workflow 中选择“View E-Results Tables”， 查看 2D Layout 的电压电流分布情况。

41.在 Distribution 页面， 选择 Voltage， 可以查看各层的电压分布。

注意多个电平的网络同时显示时可能不容易看清楚各个网络的电压分布， 这时可以在 Net Manager 中只勾选某个电平的网络， 或者在 Distribution 页面手动输入显示电压的最大最小值。

42.在 Distribution 页面， 选择 Current Density， 可以查看平面上的电流密度分布。勾选“Show Hotspots”可以自动标识电流密度最大的区域。

勾选“Show Vectors”，会显示电流的流向。

43.在查看各层的电压电流分布图时，可以通过点击“Capture to Report”按钮，添写图片注释， 把相应的电压电流分布图显示结果添加到最终的仿真报告。

44.在 workflow 中选择“Switch to Normal Layer View”， 可以把 Layout 显示从电压电流分布图显示切换回正常显示状态。

生成仿真报告

45.在 workflow 中选择“Generate Report”， 勾选在报告中需要的内容， 点击 OK。 PowerDC 会自动生成仿真报告。

46.查看 PowerDC 自动生成的仿真报告内容， 包括仿真设置、表格式的结果汇总、模块化的电源树、电压电流分布图等。

按“Capture to Report”的内容，会添加到“Manually Captured Plots”部分。

47.在 workflow 中选择“Save Report”，保存 HTML 网页格式的仿真报告。

48.在 workflow 中选择“Save Simulation Result”， 把当前仿真结果保存起来， 以后可以通过“Load Simulation Result”直接导入仿真结果。