～シミュレーションによる取り組み～...

高速基板のパワー・インテグリティ

～シミュレーションによる取り組み～

Seminar ID（D2-A-3）

presented by:

EDAテクニカルサポート・コンサルティング

明石芳雄

Agenda

•はじめに

•Power Integrity (PI)による問題とシミュレーション

•電磁界解析の検証

•PIによる電源ノイズと信号波形への影響

•電磁界解析の高速化と時間領域解析

•まとめ

ディジタル信号伝送のトレンド

シグナル・インテグリティパワー・インテグリティの問題が顕在化

高速化 + 低電圧化

ノイズマージンの減尐

時間

電圧

5V

3.3V

1.8V

ディジタル信号伝送における波形品質の劣化

Package

Card

Card

Connector Backplane

PCB Trace

TraceDie

Package

Die

ドライバ

レシーバ

信号劣化の原因は??

信号配線?

電源配線?

Agenda

•はじめに





•まとめ

Power Integrity (PI)のシミュレーション

SIのシミュレーション信号配線による信号劣化を観察

PIのシミュレーション電源配線による電源ノイズ/信号劣化を観察

PIのシミュレーションでは、電源配線による電源ノイズ、それに起因する信号劣化を観察

ドライバレシーバ


電源

信号配線

電源配線

Power Integrity (PI)簡略化した電源配線モデル

電源ノイズ発生源

クロックに同期して電源電流が流れる回路

を想定

簡略化したモデルによるPI

電源配線モデル


電源ノイズの影響を受ける回路

PIのメカニズム

電源配線インピーダンスにより電位差が発生

簡略化したモデルによるPIの発生メカニズム電源ノイズが観察される


PWR

GND

電源配線

GND層

電源配線は、分布定数線路として振舞う•対GND間に容量•インダクタンス/抵抗/容量を分割

以下の条件を想定したモデル•配線幅 : 2[mm]

•配線長 : 25[mm]

•誘電率 : 4

•誘電体厚み : 0.1[mm]

容量とインダクタンスによる共振により、ノイズが実際より

大きく観察される!!


電源配線

GND層

集中定数モデルにおける問題点•LRCの分割数に制限がある•表皮効果を表していない

伝送線路モデルが必要!!

•配線幅 : 2[mm]

•配線長 : 25[mm]

•誘電率 : 4

•誘電体厚み : 0.1[mm]

伝送線路モデル集中定数モデル

伝送線路モデルにより正しい結果が得られる

表皮効果による抵抗値

jZs

1,

2

集中定数によるモデルLRCを分割する必要がある!!


PWR

GND

電源配線モデルは??

電源配線として、電源層を想定•配線幅が広い•パターンが任意

電源層

GND層


•配線幅が広く、電源層の任意の位置にチップの電源端子が接続される

•電源層が任意パターンとなる

伝送線路モデルが適用できない

電磁界解析が必要

デバイス1

電源端子デバイス2

電源端子

デバイス3

電源端子

Agenda

•はじめに





•まとめ

電源層の評価

電源層モデルを検討するにあたり、測定による評価を実施

– 図に示すパターンを作成し、Sパラメータによる評価

– 測定したSパラメータとADS Momentumのシミュレーション結果と比較

GND PWR

いずれか１つのPADに給電

いずれか１つのPADに給電

PWR

GND層構造

上面図

24.5mm

26mm

FR4:100um

電源層評価パターンの測定と測定ポートの組み合わせ

ACTIVE

CHANNEL

RESPONSE

STIMULUS

ENTRY

INSTRUMENT

STATE

R CHANNEL

T

HP-IB STATUS

PORT 2PORT 1

PWR

GND

PAD部断面構造

G S G

GSGプローブを用い、ネットワークアナライザでSパラメータ測定

FR4 : 100um

FR4 : 200um

ステージ

L1R1

GSG

プローブL1R7

ADS Momentumによるシミュレーション

シミュレーション設定電源層/GND層をシミュレーションに含める

ポート部拡大図プローブのGND PADには“GND Reference”を用いる

電源層

GND層

電源層評価パターン – Momentumとの比較

Momentum

測定

測定結果と良好に一致している

L1R1 L1R7

電源層評価パターン電源層にスリットが設けられている場合

PWR

GND電源層にスリットを設けたパターンにて検証実施

•電源層に流れる電流がスリットにより阻害される様子を観察•ADS Momentumと比較/検証

L1R1

L7R7

電源層にSlitを設けるスリット幅 : 0.1, 0.5, 1.0[mm]

電源層評価パターンの特性（スリットあり）L7R7

Slitなし(測定)

W=0.1mm (測定)

W=0.5mm (測定)

W=1.0mm (測定)

Slit面積が大きいほうが容量が小さい

Wが広いほうがインダクタンスが

大きい

スリットの有無により大きく特性が異なる

電源層評価パターンの特性（スリットあり）インダクタンスの変化

SlitなしW=0.1mm

W=0.5mm

W=1.0mm

M

スリットの幅が広いほどインダクタンスが増加するその理由は以下の通り。

スリットの両側に相対する電流が流れるそこに相互インダクタンスが作用し、インダクタンスを減尐させる。幅が広いほど相互インダクタンスが尐ないため、インダクタンスが増加

電源層評価パターン – Momentumとの比較

Momentum

測定

測定結果と良好に一致している

L1R1（スリットW=0.1mm) L7R7（スリットW=0.5mm)

Agenda

•はじめに





•まとめ

電源ノイズのシミュレーション

ADS Momentum

Sパラメータ

周波数領域データ時間領域シミュレーション

時間領域シミュレーション(IFFT + Convolution)

電源ノイズのシミュレーション

クロックに同期して電源電流が流れる回路を想定

電圧波形を観察

ADS Momentumで求めたSパラメータを用い、電源ノイズのシミュレーションを実施

電源ノイズのシミュレーション各端子での電圧波形

V0

V1

V2

V3

電源からの距離に応じてノイズ電圧が大きくなるV1とV3は電源からの距離がほぼ同じであるため、同様な波形となる

電源ノイズのシミュレーションスリットがある場合の電圧波形

V0

V1

V2

V3

スリットがある場合、ノイズ電圧が大きくなる•スリットにより電源電流の流れる経路が長くなり、インピーダンスが上昇

•スリットによりノイズ電圧が上昇するが、大きな差は認められない

スリットありスリットなしスリット幅:0.1mm

バイパスキャパシタ

バイパスキャパシタ

バイパスキャパシタを配置し、電源ノイズ波形を観察•スリットのないモデルで検討•バイパスキャパシタは電圧を観察する端子の隣に配置

バイパスキャパシタの検討

バイパスキャパシタありバイパスキャパシタなし

電圧を観察する全ての端子の隣にCを配置

V0

V1V2

V3

バイパスキャパシタの効果を観察できる

バイパスキャパシタの検討

電圧を観察する全ての端子付近にCを配置電源ノイズ発生源付近にCを配置V1付近にCを配置電源ノイズ発生源付近にCを配置

•バイパスキャパシタが多いほうがその効果が高い•電源ノイズ発生源付近にCを配置したほうが効果が高い

V1付近にCを配置

IBISモデルを用いたPIのシミュレーション

ADS Momentum

Sパラメータ

Sパラメータ IBISモデル

IBISモデル + Sパラメータによるシミュレーション



電源電流

電源ノイズを発生する回路の電源電流を16倍

•16個の回路が並列していることを想定•SSNを想定し、同一信号で駆動

電圧波形を観察

電源ノイズの影響を受ける回路•電源ノイズを発生する回路と

同一信号で駆動PN7

信号源


PIモデルありPIモデルなし

V1 V2

PIモデルあり

PIモデルなし

比較

PIによる信号への影響が大きい!!

電源電圧波形

信号波形

IBISモデルを用いたPIのシミュレーション信号線も含めた解析

電圧波形を観察•信号線がない場合と比較

信号線を配線

信号線GND層電源層


信号線あり信号線なし

信号線あり

信号なし

比較

信号線の有無による差はPIモデルの有無ほど大きくない

PIによる信号への影響が大きい!!

Agenda

•はじめに





•まとめ

[S]

S-parameters

3D planar metallization

z

Layer [2] h2

Air

222 ,, e

T

Layer [1]111 ,, e

h1

Gnd

multilayered mediumモーメント法による3D-Planar電磁界シミュレータ

電磁界シミュレータ : ADS Momentum

VIZ

ground plane

ADS Momentumシミュレーションテクノロジー

パフォーマンス改善

• Multi-threading

– Multi-CPUにおける並列処理

• Matrix load

• Matrix solve (optimized Lapack solvers)

• 分散シミュレーション

– Job毎の分散処理

– 周波数毎の分散処理

• N log(N) solver の導入(matrix compression)

– より尐ないメモリー使用量、シミュレーションの高速化

– 省メモリ、高速化による精度への影響なし!!

• EM Layout pre-processing

– メッシュ生成前のレイアウト処理

• レイアウトのクリーンアップ/簡略化/修正

Unknown

currents (N)

Mem

ory

usa

ge

O(N^2)

O(N logN)

Momentum : 分散シミュレーション

ADS

Distributed

Simulation

Controller

Compute

cluster

controller

Compute cluster

•LSF

•PBSPro

•SunGrid

•ジョブ毎•周波数ポイント毎

Momentum : マルチコアにおける並列処理

RF Board

Unknowns: 4114

Matrix size: 4114

Load Time: 2m40s (Serial)

44s (Parallel)

BGA Package

Unknowns: 9817

Matrix size: 5504

Load Time: 18m16s (Serial)

5m15 (Parallel)

HP Proliant DL 145 Server

4 AMD Opteron (single core) Processors

速度改善 3.48倍

速度改善 3.64倍

RAMCPU

CPU

CPU

CPU

1 process – multiple threads

multi CPU

computer

Shared Memory Parallel Computing

Multi-level compressionによる省メモリ(N logN)効果

メモリー使用量- dense matrix : order(N2)

- compressed matrix : order (N logN)

dense matrix (N2)

compressed matrix (NlogN)

Mesh density = 200 cells/wavelength

Matrix size = 58.236

Dense matrix requires 50.53 GB

Compressed matrix requires 1.25 GB

N

logN

Momentum : Matrix compression

0 1

0.2

0.4

0.6

0.8

0.0

1.0

freq, Hz

Sp

ectr

um

Sパラメータを時間領域で使用する際の問題Causality

1: 帯域制限のあるSパラメータ

0 2 4 6 8-2 10

-10

0

10

20

-20

30

time, sec

imp

uls

e_

resp

on

se

3: 得られたインパルス応答よりSパラメータに変換すると

2:インパルス応答

結果が異なる！

0秒より前から現象が発生！

帯域制限されたデータを使用するとCausality問題が発生する可能性がある

Sパラメータの外挿

Sパラメータを時間領域で使用する際の問題Passivity

帯域制限のあるデータを使用するとPassivity問題が発生

20 40 60 80 1000 120

-40

-20

0

20

40

-60

60

time, nsecT

DT

_D

_1

, T

V

データーがノイジー

誤った時間領域応答波形となる

Sパラメータの外挿

ADSの新しい時間領域エンジン

集中定数モデル帯域制限されたSパラメータ

(0～1 Hzのデータを含まない)

帯域制限されたデータをインテリジェントな外挿を行うとにより精度の高いインパルスレスポンス応答を得ることが可能

帯域制限されたSパラメータ使用集中定数モデル

0-1Hzでの誤差はほとんど見られない

外挿された結果が一致

Sパラメータデータの取り扱いを強固にした解析エンジン

••Causal問題を検出し精度の高い解析が可能•Passibity問題を検出し補正

ADSの新しい時間領域エンジン

まとめ

•電源層のような任意の形状をもつパターンのシミュレーションには精度の高いシミュレーションが必要

•ADSによる時間領域解析エンジンにより、Sパラメータを用いた時間領域シミュレーションが正確に可能

– IBISモデルのサポート

– Passivity/Causality問題への対策

•ADS MomentumおよびADSによる回路シミュレーションにより、PIによる電源ノイズ、信号波形への影響をシミュレーションすることが可能

– バイパスコンデンサの位置を最適化することが可能

– 信号配線による影響、電源配線による影響をシミュレーションにより切り分けることができる。

謝辞

測定基板作成、測定結果の御提供をいただきました松下電器産業株式会社 PE技術開発室 EMCデザイン第二チーム瓜生一英様に感謝いたします。

～シミュレーションによる取り組み～...

Documents