CN111291526A - 一种新的快速电源环路稳定性仿真的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新的快速电源环路稳定性仿真的方法，在电源环路稳定性仿真时，使用分布式模型建模，抽取S参数。由于现有技术的仿真方法中，对电源网络寄生参数的抽取会占用大量的时间，因此本发明提出的方法更为简洁且有效，将数周的仿真时间缩短至一天内完成，且仿真结果的正确性也能得到保证。

Description

一种新的快速电源环路稳定性仿真的方法

技术领域

本发明属于电路仿真领域，更具体地，涉及电源环路稳定性仿真。

背景技术

随着社会经济的发展以及科学技术的进步，人们对电子产品的需求越来越大，对产品的质量以及使用体验要求也越来越高，特别是消费电子如手机、PAD等。产品小型化以及性能增强之间的矛盾越来越不可调和。开关电源作为电子产品的“动力中心”，从以前的分立式到现在的电源模块以及专用的电源IC，由原来的外置电感，到现在将电感集成到IC中，开关电源的集成度越来越高，这在另一方面也是消费类电子产品以及其他特殊场景电子产品小型化的必然要求。电子产品性能强劲，势必要求提高IC的工作频率，这必然会提高该IC的功耗，目前由于绿色环保以及部分电池供电的产品，对于低功耗又有着强烈的需求。因此IC必然使用先进的IC工艺，如高通、海思等主流手机SOC芯片，已经使用7nm工艺来设计芯片。这种先进工艺生产出来的IC，通常是低电压，大电流的，特别现在可以达到0.7V、15A的电源需求，这就会使得对应供电的PMU（Power Manager Unit）提供如此大的功率，同时由于手机自身体积的限制，又要要求PMU的体积尽量小，提高开关电源的开关频率成为一种行之有效的办法。随着开关频率的提高，随之带来了一系列的问题，如开关功耗升高导致效率降低， 电源芯片发热，以及电源环路稳定性的问题等等。

目前针对电源环路稳定性仿真主要方法是通过H-SPICE等晶体管级仿真工具，使用电源IC的Spice模型，再针对spice模型的管脚，配置外围的电路，搭建整个电源IC的电路网表，然后仿真得出表征电源环路稳定性的两个最重要的参数曲线：相位曲线以及增益曲线，如附图1中所示。具体仿真过程如图2所示：第一步，确认仿真网络；第二步，确认器件的仿真模型，同时分段抽取仿真网络RLC参数；第三步，检查仿真模型以及仿真网络RLC参数的正确性；第四步，搭建仿真网表；第五步，如果仿真通过则结束，如果不通过则再次执行第二步。现有技术中的仿真方法以PCB版图为例的仿真过程、抽象拓扑图以及得到的相位曲线以及增益曲线分别如图3、图4和图5所示。在图3中， 开关电源和负载芯片的位置如图所示，有完整的电源平面从开关电源的输出到负载芯片。在该电源网络中，电容分布集中分布再三块区域，区域电容C0位电源输出端，这里的电容主要是容值比较大，起平滑滤波作用的电容；区域电容C1位于负载芯片外围，主要是一些容值较大，放置芯片去耦小电容去耦效果不足时抑制瞬态效应的电容；区域电容C2主要是为满足负载芯片AC性能要求的去耦电容，主要以 1uF的小电容，这些小容值的去耦电容都尽量靠近电源管脚放置，以减小ESL的影响，优化负载芯片的AC性能。综合以上对仿真电源网络的分析，将上面的PCB版图抽象为可以仿真的拓扑结构，在建模过程中，不可能将分散的电容逐一进行建模，考虑电源网络的频率主要集中在低频段，这里采取集总结构，将集中放置电容的地方作为一个点，分散单个电容的地方忽略不计，根据这一原则，抽象出的拓扑结构如图4所示。R0、L0是开关电源输出管脚到第一个大电容之间走线的寄生参数，C0为距离电源最近的输出电容，数量可能是一个或者多个； R1和L1为电容C0区域与电容C1区域之间电源网络的寄生参数；R2、L2是电容区域C1和电容区域C2之间的电源网络寄生参数，各个电容区域的电容个数根据实际放置；R3和R4是远端反馈和近端反馈点切换的跳线电阻，这两条走线为一对差分走线。至此完成了网络拓扑的确认，以此搭建仿真拓扑。接下里需要获取开关电源的SPICE模型和分段的电源网络的RLC参数（低频下C为高阻抗，可近似为开路，这里仅考虑参数RL），出于仿真参数精度的考虑，这里选择ANSYS公司的HFSS Q3D作为参数抽取对象，分别抽取拓扑中每段电源网络的寄生参数，参数设置为： 频率范围： 10KHz --- 10MHz, 步长： 100KHz。在获取抽取的寄生参数后， 然后根据确定的网络拓扑，搭建SPICE网表，启动仿真，最终得到表征环路稳定性的增益曲线及相位曲线。从而判断该电源反馈环路是否稳定。一般来说，正常负载条件下，闭环回路增益为0dB，相位裕度应该大于45度，如果输入电压，负载及温度变化范围非常大，相位裕度不应小于30度。在相位接近为0deg时，闭环回路增益裕度应大于7dB，为远离不稳定点，增益裕度最好大于12dB，以保证其环路的稳定性。如果仿真结果不理想，可以通过调整环路参数，如电容位置，反馈走线以及其他影响因素等，然后再重新仿真，直到仿真结果满足环路稳定性判断标准。

综上所述，从整个仿真过程来看，我们从仿真精度和仿真时间两个方面去分析这种仿真方法。从仿真精度上看，虽然基于有限元分析的Q3D的抽取精度有保证，但由于是基于RLC参数的分析方法，在开关电源输出网络中，如果输出电容分布很分散，且负载端多个电源管脚，且是离散分布，此时网络拓扑不好建模，一般会简化拓扑结构，选取主要的点作为仿真对象，这时会与实际拓扑出入较大，在一定程度上造成仿真上的误差。从仿真时间上看，由于Q3D是基于有限元分析的，抽取精度完全依赖于网格剖分的精度，因此这种抽取将会花费大量的时间，如果开关电源距离负载较远，这在一定程度上增加了相关网络的长度，包括的网格就会更多，如果是大型的板卡项目，电源网络较复杂时，通常会花费半个月甚至更长的时间去做RLC参数的抽取，同时，Spice仿真本身就占用很长的仿真时间。这就严重影响到项目的进展，进一步影响研发公司的效率以及成本。因此在这里发明人提出一种简捷高效的仿真方法，在牺牲一定抽取精度的同时，兼顾到拓扑的精准性，在一定程度上保证了整体抽取参数的精确性。上述现有的仿真中，从启动仿真到仿真完成持续了三周时间，其中RLC寄生参数的抽取占掉大约两周时间。

发明内容

本发明的目的是旨在不失仿真精度的前提下，提升仿真效率，缩短仿真时间。

为实现上述发明目的，本发明提出一种新的快速电源环路稳定性仿真的方法，具体过程如下：

第一步，确认需要仿真的电源网络，确定所述电源网络的拓扑结构；

第二步，确认仿真模型，抽取所述电源网络的s参数；

第三步，检查所述仿真模型以及所述s参数的正确性；

第四步，搭建仿真网表；

第五步，如果仿真通过则结束，如果不通过则再次执行第二步。

进一步地，在第一步中，采用分布式方法确定所述电源网络的拓扑结构；

进一步地，在第二步中，使用PowerSI抽取所述电源网络的S参数。

由于在现有的仿真方法中，对电源网络寄生参数的抽取会占用大量的时间，因此本发明提出一种更为简洁且有效的方法，将数周的仿真时间缩短至一天内完成， 且仿真结果的正确性也能得到保证。

附图说明

图1为现有技术的表征电源环路稳定性的相位曲线以及增益曲线；

图2为现有技术的针对电源环路稳定性的仿真过程的流程图；

图3为现有技术的用于电源环路稳定性的仿真的示例PCB版图；

图4为根据图3所示的示例PCB版图的拓扑结构图；

图5为使用图2所示的仿真过程对图4中所示的PCB版图进行仿真得到的相位曲线以及增益曲线；

图6为根据本发明的针对电源环路稳定性的仿真过程的流程图；

图7为使用本发明的方法针对图3中的示例PCB版图抽象出的拓扑结构；

图8为根据本发明的方法抽取的S参数曲线；

图9为根据本发明的仿真方法对通过抽象建模所确定的网络拓扑（如图7所示）进行仿真所得的相位曲线以及增益曲线；

图10为使用现有技术和本发明方法进行仿真所得相位曲线以及增益曲线对比示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

图6为根据本发明的针对电源环路稳定性的仿真过程的流程图。由于SPICE模型由IC开发部门提供，仿真工程师无法修改，因此只能针对仿真网络拓扑的建模做进一步的优化。将原来方法中的集总模型改变为使用分布式模型来处理。分布式模型在低频段精度没有集总模型高，但分布式模型不存在分段抽象模型的步骤，这就在一定程度上抵消了集总模型下分段处理不精确的问题。

以图3中的示例PCB版图为具体实施例，采用新的建模方法对其进行建模，采用分布式的方法，抽象出需要仿真的拓扑结构如图7所示。图中开关电源是相同的电源模块，R0和L0是与原方法相同，电源模块与输出大电容的距离一般都很近，抽取基本上不会占用太多时间，因此此处与原方法一样。S参数是使用分布式建模方式获取的4端口的S参数。本方法使用Cadence公司的PowerSI抽取该网络的S参数，以电源模块的输出电容正负极作为端口1，负载芯片侧电源正负管脚做端口2, 开关电源反馈差分输入为端口3，负载侧的反馈差分输出为端口4。在PowerSI抽取中，电源网络中的所有电容均加载了对应了电容模型，因此这种方法包含所有全部的电容以及电容的位置信息，比原来方法建模中忽略散布零散电容的方法更加精确。

仿真抽取范围从10KHz到100MHz，最终获取的S曲线图8所示。

S参数抽取后，通过查看插回损等曲线特征，进一步检查S参数的正确性，然后按照图7的拓扑结构搭建SPICE网表，仿真得到的相位曲线以及增益曲线如图9所示。图10为使用现有技术和本发明方法进行仿真所得相位曲线以及增益曲线对比示意图。由此可以看出，使用新的方法完成仿真的时间为7个工作日，其中S参数的抽取时间为一天，与原方法相比，仿真时间上有很大的缩短。从仿真结果的对比来看，仿真精度比原方法稍差，不影响正常仿真结果的判断与评估。通过对比原方法与新提出方法的仿真结果，进一步验证了使用的新的仿真方法在保证仿真精度的情况下，大大缩短了仿真时间，提高了仿真效率，进一步加快了产品研发的速度。

在电源环路稳定性仿真时，本方法提出的使用分布式模型建模，抽取S参数，不局限于使用PowerSI抽取S参数的方法，只要使用分布式模型建模，无论使用哪种S参数抽取工具，均在本方法的保护之列。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种新的快速电源环路稳定性仿真的方法，包括以下步骤：

A. 确认需要仿真的电源网络，确定所述电源网络的拓扑结构；

B. 确认仿真模型，抽取所述电源网络的s参数；

C. 检查所述仿真模型以及所述s参数的正确性；

D. 搭建仿真网表；

E. 如果仿真通过则结束，如果不通过则再次执行步骤B。

2.根据权利要求1所述的新的快速电源环路稳定性仿真的方法，其中采用分布式方法抽取所述电源网络的拓扑结构。

3.根据权利要求1所述的新的快速电源环路稳定性仿真的方法，其中使用PowerSI抽取所述电源网络的S参数。

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