ADAS汽车芯片LPDDR4 SIPI连合仿真案列
现在LPDDRn/DDRn用于很多汽车应用，如高级驾驶员感知系 统（ADAS）、信息娱乐、主动驾驶汽车体系、平视表现器和仪表控制台等表现器，这些应用须要强盛的处置惩罚器，须要带宽和内存容量来天生大量数据。这就须要电源和信号筹划充足的结实来顺应差别的应用场景。上一篇文章中（LPDDR4x的体系级SI-PI协同仿真）也简朴先容了电源信号连合仿真的方法，这次选择了一个实际案例举行分析。
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图1 汽车芯片ECU架构
电源PDN网络
电源PDN由从电压调治器模块（VRM）到集成电路（IC）内部PAD的全部互连构成，包罗电源路径中的通孔、平面、电容器等。电源电压由VRM产生，由于寄生电感，VRM本身无法满意负载的高瞬态需求，这个时间就须要PDN的其他组件能支持IC在差别频率下的开关电流需求。图2表现了整个PDN构成及其有用的频率范围。
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图2 PDN网络构成
电源完备性分析
选了一个应用场景，SOC上数字Core电源1.0V的瞬态电流最大可以到8A，同时IO电源1.1V通过一个LPDDR4毗连到SOC的DDR 1V1电源平面，瞬态电流最大须要为2A。
IRDrop分析
IRDrop是电源平面上的电压降V=I*R。IC的电源在整个筹划中从电源通过金属层匀称分布。当施加电压时，金属中的有限电阻和电流会导致一些电压降。当平面地区的电阻过高或从平面引出的电流高出预期时，大概会出现电压降，导致电源电压低落。也就是说，所需的电压没有到达IC要求，这就会导致噪声敏感性增长和性能不佳（时序标题）。下图3和图4表现了在包罗反馈点后，在负载下在2%容差范围内的焦点电源和DDR电源上看到的IRDrop。
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图3 数字Core电源1.0 IRDrop
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图4 LPDDR4 IO电源IRDrop
板级AC分析
在IC芯片中，根据Core时钟、外围装备、I/O等存在多个开关频率，因此必须防止全部工作频率下电流翻转导致的电压骤降。常用的方法是通太过析电源全链路PDN阻抗曲线。筹划PDN的一样平常方法在PCB体系中，起主要创建目标阻抗要求。目标阻抗Z- target在频域中为IC的电源端子上的PDN创建了最大阻抗的上限。低于Z-Target的阻抗确保任何电流瞬变都会产生小于所思量纹波%的噪声电压。目标是在整个PDN上实现尽大概平展的阻抗曲线。表1。指基于用户需求的每种电源的电压、电流和Z目标要求。
表I 电压和电流表
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图6 带有去耦电容器的PCB上DDR焦点电源的阻抗分布
从图6可以看出，1.0V的阻抗分布在4- 10MHz频率范围内违背了高电流要求的目标，1.1V电源可以满意目标阻抗，但在2-10MHz频率地区的PCB中出现了谐振，这表明PCB优化的范围，以实现低于Z目标的阻抗并镌汰谐振。
电源AC分析的团体方法
接下来举行完备的PDN分析，以分析每个PDN部门在频率上的表现。图7和图8中的表现了在每个频率范围思量PDN的Z11参数。
Case：只有PCB部门，包罗PCB电容。
Case：PCB+PKG
Case：VRM寄生+PCB+PKG
Case：VRM寄生+PCB+PKG+DIE模子
Case：VRM寄生+PCB+PKG+DIE模子，优化decap组合
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a. 1.0V Case A\B\C PDN曲线
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b. 1.0V Case D\E PDN曲线
图7 数字Core 1.0电源的完备阻抗曲线
从图7（a）中可以看出，VRM的有用频率在10-50kHz的范围内，高于此频率，PCB PDN的作用在30Mhz，然后是200MHz的封装寄生作用，之后是芯片寄生在更高频率下主导PDN阻抗。从仿真中可以看出，有用PCB频率在20 kHz至20 MHz的范围内。对于1.0V数字Core电源，在5-9 MHz范围内，在去耦电容器优化后可实现平展阻抗，拜见图7（b）。
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a. 1.1V Case A\B\C PDN曲线
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b. 1.1V Case D\E PDN曲线
图8 LPDDR4 1V1电源的完备阻抗曲线
同样，从图8（a）中可以看出，对于1.1电源，PCB在PDN中占主导职位频率范围在10kHz20MHz的范围内，这部门也可以优化PCB电容组合来镌汰谐振峰。 从分析中可以显着看出，确定PCB阻抗的有用频率范围对于PDN优化和镌汰谐振峰值非常紧张。
电源/信号完备性连合分析
在举行LPDDR4信号评估时，将电源PDN网络带入仿真评估，可以看到电源噪声对信号电平纹波的影响。
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图9 LPDDR4电源信号仿真原理图
SI-PI连合仿真有助于辨认PDN噪声与信号耦合的埋伏风险。评估选择了3种环境举行仿真，分别是带入抱负的电源、思量较差PDN网络、思量较好PDN网络。图11是抱负供电下的LPDDR4 DATA眼图。这种环境可以看到眼图在通过总掩模时看起来很好，也有充足的裕量，但是看不到电源的影响。
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图11 抱负供电下的信号眼图
为了评估电源的实际影响，在处置惩罚模子时须要将信号和电源一块抽取，如允许以评估到电源和信号之间的同时切换噪声。图12是在具有非优化电源平面和也没有充足去耦电下的比力差的PDN筹划，仿真带入PDN网络，可以看到电源引入了纹波和抖动，导致眼图不符合SPEC。这种连合仿真可以更好的反映SIPI筹划缺点。
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图12 较差PDN下信号眼图
图13则是在对PDN举行优化后的信号眼图，就可以看到电源质量变好后，对信号质量也有比力大的改善。
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图13 优化PDN后的信号眼图
通过本文的实验可以看到电源信号连合仿真的紧张性。好的SIPI筹划可以资助芯片拥有更好的性能，顺应更多复杂的应用场景。
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