应用研究
龙芯2F主板的PI仿真优化
凡兆龙王凯车博山郭鑫宇
(北方自动控制技术研究所山西太原030006)
数事费与质用
摘要：在现代高速电路中，越来越高的时钟频率给板级电源究整性的设计带来了严暖的挑战。本探讨了板级电源完整性设计的相关原理，针对一款自主设计的龙芯2F主板的电源网络设计中存在电源波动较大.PCB空间不足的问题采用ANSYS旗下的电路仿真工具SIwave对其进行了优化改善了系统的稳定性，降低了成本,达到了预期的需求。
关键词:ANSYSPI设计仿真技术中图分类号：TP332
文献标识码:A
随着集成电路工作频率的提高、电源完整性(PowerIntegrity，简称PI)问题渐渐成为高速电路设计的瓶颈之一，关系着整个设计的性能优劣甚至成败，工程上，由于系统电源平面并非绝对的导体总是存在一定的阻抗，当瞬变电流流过该平面时，就会在路径两端产生一定的电压波动。P设计的目的就是在无法降低瞬态电流的情况下，尽可能地降低电源平面的目标阻抗，从面使流过该平面的电
流产生的电压波动减小，满足系统要求。 1PI设计的理论依据
理论上，电源的目标阻抗指的是能满足负载的瞬态电流达到最大值，同时电源波动不超过最大允许范围时，电源分布网络(简称
PDN)自身的阻抗,由式(1)得到。 Z=4VDD
Mma
(1)
式中，表示的是电源电压，反映负载芯片瞬态电流的最大值，这是一个和频率有关的参数，芯片生产商通常不会提供I/碘线，在实际计算目标阻抗时，通常取芯片所有门电路同时翻转时的负载电流来近似，即
Imax~Em=1ln
其中，是第n个IO脚的电流变化值。
(2)
传统设计中，设计人员往往依据经验来确定添加去耦电容的种类及数量，带有一定的盲目性及不确定性，可能会因添加电容数量、种类不恰当，导致产品PI无法满足要求或者PCB空间浪费。
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图1优化前阻抗曲线(3.3V)
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图2优化后阻抗曲线(3.3V)
收稿日期：2016-09-16
文章编号:1007-9416(2016)10-0078-01 2PI设计的仿真优化
本文中待优化的是一款自主设计龙芯2F主板。龙芯2F是一款国产高性能64位CPU，IO工作电压3.3V3)为了节约PCB空间，降低成本，本文以3.3V的IO工作电压作为优化对象，介绍优化过程。
2.13.3V网络目标阻抗的估计
查询龙芯2F数据手册可知，芯片的单个IO脚电流变化为8mA， IO电压允许的最大变化范图为0.7V，3.3V引脚数为20个，假定极限情况下，所有的IO同时发生状态切换，则可以得到芯片1O最大工作电流160mA，根据式(1)可以得到龙芯2F3.3VIO电压的目标阻抗为 4.3750
2.2优化前预处理
将待仿真的龙芯2F主板PCB文件导人SIwave的工作区，设置仿真Port，截止频率以及收效精度等参数，运行仿真，得到优化前3.3V 网络的阻抗曲线。如图1所示。
由上图1可以看出，460MHz及982MHz两处有反谱振尖峰超过了目标阻抗(4.3750)。下一步需要通过对去耦电容组合的优化，使阻抗曲线被“压“到系统目标阻抗以下。
2.3PDN的优化
运行S[wave工具，选择需要优化的去耦电容，设置电容的价格、型号及封装等属性。运行仿真，最终软件给出了一种最优方案，即仅需4个种类的，5只电容即可满足优化的指标，比优化之前需要的5种 15只电容在种类和数量上都大大减少，成本也大大降低。为了验证优化效果，将策略1应用到PCB中，重新运行仿真，得到3.3V网络优化后的阻抗曲线，如图2所示，
由图2可以看到优化后，3.3V网络的阻抗分布曲线完全被控制
在了目标阻抗4.375Q以下，与预期相符合。 3结语
本文在介绍了PI设计原理的基础上，利用SIwave对国产龙芯 2F主板的电源网络设计进行仿真分析，并给出了最佳优化方案。优化后的龙芯2F主板，能够稳定可靠地运行，目前已经应用到实际项目中。综上来看，ANSYS仿真工具的应用，缩短了开发周期，降低了
设计的费用及失败风险，具有一定的工程应用价值。参考文献
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作者篇介：兆龙(1988一)，男，安搬准北人，颈士，助理工程师，研究方向：嵌入式。万方数据