CN108897929B

CN108897929B - 一种电源平面频域阻抗仿真方法、系统及终端

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Publication number: CN108897929B
Application number: CN201810606491.2A
Authority: CN
Inventors: 武宁; 荣世立
Original assignee: Zhengzhou Yunhai Information Technology Co Ltd
Current assignee: Zhengzhou Yunhai Information Technology Co Ltd
Priority date: 2018-06-13
Filing date: 2018-06-13
Publication date: 2022-02-18
Anticipated expiration: 2038-06-13
Also published as: CN108897929A

Abstract

本申请公开了一种电源平面频域阻抗仿真方法、系统及终端。该方法首先根据目标电源平面中的耦合电容，计算第一等效电路的参考电阻和参考电容；根据参考电阻和参考电容，确定目标电阻和目标电感；根据目标电阻和目标电感串联组成的第二等效电路，计算电源平面频域阻抗。该系统包括第一等效电路计算模块、目标电阻和目标电感确定模块以及仿真模块。该终端包括处理器以及与所述处理器通信连接的存储器。本申能够有效提高电源平面频域仿真低频段阻抗值的补偿精度，从而提高电源平面频域仿真阻抗的精度，进而提高电源质量评估的准确性。而且由于本申请能够消除VR Model的获取问题，还有利于频域阻抗模拟方法在电源设计评估上推广使用。

Description

一种电源平面频域阻抗仿真方法、系统及终端

技术领域

本申请涉及电源平面仿真技术领域，特别是涉及一种电源平面频域阻抗仿真方法、系统及终端。

背景技术

在服务器产品系统设计中，电源平面设计是个重要问题。例如，产品功能升级、主板上高速接口功能、数量和速率等方面的提升，都会增大板卡上Power的供电需求。若Power电源平面设计不良，随着供电电流的增大，会加剧应用设备终端电源质量的变差趋势，以致于造成高速信号电压幅值偏低，导致信号传输质量降低。因而，在大供电需求的高速板卡设计时，关注板卡高速互连信号传输质量的同时，电源完整性也是板卡设计中的重点。

对于电源平面设计效果，通常有两种仿真方法：电源设计时域瞬态分析和电源平面频域阻抗仿真分析。其中，电源设计时域瞬态分析因搭建电源线路较多，其电源仿真时间较长，会影响项目整体开发进度；而电源平面频域分析通常比时域耗费时间较少，也可有效评估电源质量，因此，在项目开发设计时，电源平面频域阻抗仿真分析已作为电源质量评估的一个必选环节。

目前，电源平面频域阻抗仿真方法通常为：首先从电源厂商处获取VR Model（Voltage Regulation Model，电源调节器模型）；然后，将VR Model、耦合电容等部件导入模拟评估软件中；运行模拟评估软件，结合电源平面铺设尺寸、耦合电容选择数据和摆放位置等因素综合评估频域扫描时各频点下对应的阻抗值；根据各频点下对应的阻抗值，对电源质量进行评估。其中，采用目前的仿真方法所获取的电源平面频域阻抗波形参见图1。

然而，目前的电源平面频域阻抗仿真方法中，由于采用VR Model的计算精度不够高，对频域仿真低频段阻抗值的补偿精度不够高，因此无法保证电源平面频域仿真阻抗的精度，从而影响电源质量评估的准确性。如果仿真过程中不导入VR Model，又会导致电源平面电路开路，此时的电源平面频域阻抗波形可以参见图2，由图2可知，不导入VR Model时，频域仿真时低频段阻抗值非常高，低频段太高的阻抗值会影响频域阻抗波形在Zone2频带范围的阻抗波形分析，从而导致电源质量评估的结果不够准确。

发明内容

本申请提供了一种电源平面频域阻抗仿真方法、系统及终端，以解决现有技术中VR Model的计算精度不够高而导致电源质量评估的准确性不够高的问题。

为了解决上述技术问题，本申请实施例公开了如下技术方案：

一种电源平面频域阻抗仿真方法，其特征在于，所述方法包括：

根据目标电源平面中的耦合电容，计算第一等效电路的参考电阻和参考电容，其中，所述参考电阻和参考电容串联组成所述第一等效电路；

根据所述参考电阻和参考电容，确定目标电阻和目标电感；

根据所述目标电阻和目标电感串联组成的第二等效电路，计算电源平面频域阻抗；

所述方法还包括：

在第一频域范围内，计算第二等效电路中各个频点阻抗与参考电阻的平均差值；

当所述平均差值大于第一阈值时，减小所述目标电阻和/或所述目标电感；

当所述平均差值小于第二阈值时，增加所述目标电阻和/或所述目标电感；

其中，所述第一阈值大于所述第二阈值；

所述根据所述目标电阻和目标电感串联组成的第二等效电路，计算电源平面频域阻抗，包括：

当所述平均差值介于第一阈值和第二阈值之间时，根据所述第二等效电路，计算目标电源平面各频点所对应的阻抗；

根据各频点所对应的阻抗，生成包括有第二频域范围的频域阻抗波形。

可选地，所述根据目标电源平面中的耦合电容，计算第一等效电路的参考电阻和参考电容，包括：

根据预设的耦合电容模型，计算所述参考电阻和参考电容；

或者，

根据测试得到的耦合电容阻抗波形，计算所述参考电阻和参考电容。

可选地，所述根据所述参考电阻和参考电容，确定目标电阻和目标电感，包括：

根据第一等效电路和第二等效电路在截止频点的数学关系，计算所述目标电阻和目标电感，所述数学关系如下所示：

第一等效电路在截止频点处满足：

，第二等效电路在截止频点处满足：

，

，

其中,

和

分别为第一等效电路和第二等效电路在截止频点的阻抗，

为参考电阻，

为参考电容,

为目标电阻，

为目标电感。

一种电源平面频域阻抗仿真系统，包括：

第一等效电路计算模块，用于根据目标电源平面中的耦合电容，计算第一等效电路的参考电阻和参考电容，其中，所述参考电阻和参考电容串联组成所述第一等效电路；

目标电阻和目标电感确定模块，用于根据所述参考电阻和参考电容，确定目标电阻和目标电感；

仿真模块，用于根据所述目标电阻和目标电感串联组成的第二等效电路，计算电源平面频域阻抗；

所述系统还包括校验模块，所述校验模块用于，

其中，所述第一阈值大于所述第二阈值；

所述仿真模块包括：

阻抗值计算单元，用于当所述平均差值介于第一阈值和第二阈值之间时，根据所述第二等效电路，计算目标电源平面各频点所对应的阻抗；

波形生成单元，用于根据各频点所对应的阻抗，生成包括有第二频域范围的频域阻抗波形。

可选地，所述目标电阻和目标电感确定模块用于，

第一等效电路在截止频点处满足：

，

第二等效电路在截止频点处满足：

，

,

其中,

和

分别为第一等效电路和第二等效电路在截止频点的阻抗值，

为参考电阻，

为参考电容,

为目标电阻，

为目标电感。

一种终端，所述终端包括处理器以及与所述处理器通信连接的存储器，其中，

所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器能够执行以上所述的电源平面频域阻抗仿真方法。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本申请提供一种电源平面频域阻抗仿真方法，该方法首先根据目标电源平面中的耦合电容计算第一等效电路的参考电阻和参考电容；然后根据参考电阻和参考电容确定目标电阻和目标电感；最后根据目标电阻和目标电感串联组成的第二等效电路，计算电源平面频域阻抗，从而获取到目标电源平面各频点所对应的阻抗值，进而通过仿真软件生成包括有Zone2频带范围的频域阻抗波形，实现对目标电源的电源平面频域阻抗仿真。本申请根据VR Model的特性设计第二等效电路，使第二等效电路作为输入回路，第一等效电路作为输出回路，构成目标电源的电源平面电路，由于第二等效电路中的目标电阻和目标电感，以及第一等效电路中的参考电阻和参考电容，都是根据目标电源平面而获取，从而能够确保所采集数据的准确性，使得第二等效电路能够完全代替上游电源厂商所提供的VR Model，且避免VR Model的计算精度不够高的问题，有利于提高电源平面频域仿真阻抗精度，从而有利于提高电源质量评估结果的准确性。而且由于本申请能够消除VR Model的获取问题，还有利于频域阻抗模拟方法在电源设计评估上推广使用。

本申请中的方法还包括利用Zone1频域范围的阻抗曲线对第二等效电路进行校验，从而能够进一步提高电源平面频域阻抗精度，有利于提高电源质量评估结果的准确性。

本申请还提供一种电源平面频域阻抗仿真系统，该系统包括第一等效电路计算模块、目标电阻和目标电感确定模块和仿真模块。利用第一等效电路计算模块，根据目标电源平面中的耦合电容，计算第一等效电路的参考电阻和参考电容；通过目标电阻和目标电感确定模块，根据参考电阻和参考电容确定目标电阻和目标电感；然后通过仿真模块，根据目标电阻和目标电感串联组成的第二等效电路，计算电源平面频域阻抗。本系统通过目标电阻和目标电感确定模块和仿真模块，设计出第二等效电路，将第二等效电路作为输入回路，第一等效电路作为输出回路，构成目标电源的电源平面电路，利用仿真软件对该电源平面电路进行仿真，从而获取其仿真结果。由于本申请中第一等效电路计算模块计算第一等效电路的参考电阻和参考电容时，均依据当前的目标电源平面而获取，因此，本申请能够确保所采集数据的准确性，从而有利于提高电源平面频域仿真阻抗精度，进而提高电源质量评估结果的准确性。本申请中的系统还包括校验模块，通过校验模块，利用Zone1频域范围的阻抗曲线对第二等效电路进行校验，从而能够进一步提高电源平面频域阻抗精度，有利于提高电源质量评估结果的准确性。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中带VR Model的电源平面频域阻抗波形示意图；

图2为现有技术中不带VR Model的电源平面频域阻抗波形示意图；

图3为本申请实施例中电源平面频域阻抗管控范围及指标示意图；

图4为本申请实施例所提供的一种对电源平面频域阻抗进行仿真的方法的流程示意图；

图5为本申请实施例中电容厂商提供的耦合电容的频域阻抗波形示意图；

图6为本申请实施例中第一等效电路和第二等效电路所构成的电源平面电路中的频域阻抗关系示意图；

图7为本申请实施例所提供的另一种对电源平面频域阻抗进行仿真的方法的流程示意图；

图8为本申请实施例所提供的一种对电源平面频域阻抗进行仿真的系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

在服务器主板设计开发时，对电源设计质量进行评估的一种常用且快速有效的方法，就是采用电源平面频域阻抗模拟仿真方法。即：将VR model或者VR model的替代模型，以及耦合电容模型等部件都导入到频域模拟软件中，并结合电源平面Layout铺设的大小和耦合电容摆放的位置，来综合评估频域扫描时各频点下对应的阻抗值。通过频域模拟软件所生成的电源平面频域阻抗波形中，包括不同频段的波形，且不同频段由不同的管控主体，具体如图3所示。图3为本申请实施例中电源平面频域阻抗管控范围及指标示意图。由图3可知，Zone1频段的管控主体为VR Model厂商；Zone2频段反映的是电源平面大小、耦合电容数量以及位置综合体现的频域阻抗波形，其管控主体为PCB设计人员；Zone3频段反映的是CPU的频域阻抗波形，其管控主体为CPU厂商。其中,需要PCB设计人员进行管控的Zone2频段，是电源平面频域阻抗波形重点研究的频段，为本申请中的方法和系统所要关注的，通过本申请中的方法和系统，能够使Zone2频段的模拟频域阻抗波形满足频域阻抗spec（StandardPerformance Evaluation Corporation，标准性能评估组织，指性能评估标准）指标的要求。

为了更好地理解本申请，下面结合附图来详细解释本申请的实施方式。

实施例一

参见图4，图4为本申请实施例所提供的一种对电源平面频域阻抗进行仿真的方法的流程示意图。由图4可知，本申请中对电源平面频域阻抗进行仿真的方法，主要包括如下步骤：

S1：根据目标电源平面中的耦合电容，计算第一等效电路的参考电阻和参考电容。其中，参考电阻和参考电容串联组成第一等效电路，本实施例中简称为RC电路。

具体地，计算第一等效电路的参考电阻和参考电容的方法，主要由以下两种：

第一种方法：根据预设的耦合电容模型，计算参考电阻和参考电容。根据电容厂商提供的耦合电容模型，可以获取到参考电阻，本实施例中的参考电阻为耦合电容谐振波形的ESR（Equivalent Series Resistance，等效串联电阻）值。根据电容厂商提供的耦合电容模型，可以直接获取到参考电容，本实施例中的参考电容为耦合电容的电容值

。

第二种方法：根据测试得到的耦合电容阻抗波形，计算参考电阻和参考电容。对目标电源平面中的耦合电容进行测试，获取到耦合电容阻抗波形，具体可以参见图5，图5为本申请实施例中电容厂商提供的耦合电容的频域阻抗波形示意图。根据耦合电容阻抗波形，可直接获取参考电阻和参考电容。

获取到参考电阻和参考电容后，执行步骤S2：根据参考电阻和参考电容，确定目标电阻和目标电感。

目标电阻和目标电感构成第二等效电路，本实施例中第二等效电路简称RL等效电路。

具体地，步骤S2的实现过程为：

根据第一等效电路和第二等效电路在截止频点的数学关系，计算目标电阻和目标电感。其中，数学关系如下所示：

第一等效电路在截止频点处满足：

，

第二等效电路在截止频点处满足：

，

因为截止频点为电感感性和电容容性交叉补偿谐振点，因此在

处满足：

。

其中,

和

分别为第一等效电路和第二等效电路在截止频点的阻抗，

为参考电阻，该参考电阻也就是耦合电容谐振波形的ESR值，

为参考电容,该参考电容即为耦合电容的电容值，

为目标电阻，

为目标电感。

根据以上数学关系可知，在F3db截止频点处，对于输入回路RL等效电路满足公式：

，对于输出回路RC电路满足公式：

。截止频点处RL等效电路和RC电路的阻抗波形相交，所以

。由

可知:

。而截止频点同时也是电感感性和电容容性交叉补偿谐振点，可以利用公式

获取目标电感

中的等效电阻负载值

，因此，在

截止频点处，目标电感为：

。

在RL等效电路和RC电路组成的电源平面电路中，RL等效电路为输入回路，RC电路为输出回路。第一等效电路和第二等效电路的频域阻抗波形交叉点，即为电压源平面电路的

截止频点。在

截止频点处，电源平面电路中RL等效电路和RC电路的频域阻抗关系具体参见图6。

随着频域的增大，感性频域曲线中的波形阻抗值会增大，而感性频域曲线和容性频域曲线在

截止频点处交叉后，会截断感性频域曲线随着频域提高时波形阻抗值提升的幅度，从而有效抑制频域仿真时阻抗值增大对Zone2频带的影响。

获取到目标电感和目标电阻之后，以电感为

、电阻为

的等效电路代替VRModel。在带VR Model的电源平面电路中，VR Model为输入回路部分，RC电路为输出回路部分。在带有RL等效电路的电源平面电路中，RL等效电路为输入回路，RC电路为输出回路。

继续参见图4，根据参考电阻和参考电容，确定目标电阻和目标电感之后，执行步骤S3：根据目标电阻和目标电感串联组成的第二等效电路，计算电源平面频域阻抗。

具体地，步骤S3包括如下过程：

S31：根据第二等效电路、耦合电容模型、电源平面铺设尺寸、耦合电容的数量以及耦合电容的位置，计算目标电源平面各频点所对应的阻抗值。

将第二等效电路以及耦合电容模型导入频域模拟软件中，根据电源平面铺设尺寸、耦合电容的数量以及耦合电容的摆放位置，获取目标电源平面各频点所对应的阻抗值。

S32：根据各频点所对应的阻抗值，生成频域阻抗波形。

本实施例中，频域仿真软件可以采用Powersi软件或Ansys SIWAVE软件。

实施例二

在图3-图6所示实施例的基础之上参见图7，图7为本申请实施例所提供的另一种对电源平面频域阻抗进行仿真的方法的流程示意图。

由图7可知，本实施例中还包括步骤S4：利用Zone1频带阻抗曲线对第二等效电路进行校验。具体地，校验方法为：

S41：在第一频域范围内，计算第二等效电路中各个频点阻抗与参考电阻的平均差值；

S42：当平均差值大于第一阈值时，减小目标电阻和/或目标电感；

S43：当平均差值小于第二阈值时，增加目标电阻和/或目标电感；其中，第一阈值大于第二阈值。

第一频域范围即为Zone1频带范围，第一阈值和第二阈值为预设值，具体大小根据不同的目标电源的第一频域范围而定。具体地，第一阈值为能够确保第一频域范围阻抗曲线保持低阻抗平滑的最大值，第二阈值为能够确保第一频域范围阻抗曲线保持低阻抗平滑的最小值。

通过以上步骤S41-S43，由于增加了对第二等效电路的校验，通过导入RL等效电路，以RL等效电路代替原有的VR Model，能够使Zone1频带阻抗曲线保持低阻抗平滑，避免Zone1频带阻抗曲线变高而影响Zone2频带的阻抗曲线变化，从而能够提高电源平面频域仿真阻抗精度，进而提高电源质量评估结果的准确性。

进一步地，根据以上校验方法，根据校验后的目标电阻和目标电感串联组成的第二等效电路，计算电源平面频域阻抗的方法包括如下过程：

S44：当平均差值介于第一阈值和第二阈值之间时，根据第二等效电路，计算目标电源平面各频点所对应的阻抗。

S45：根据各频点所对应的阻抗，生成包括有第二频域范围的频域阻抗波形。

其中第二频域范围为Zone2频带范围。

综上所述，本实施例首先根据VR Model本身的特性设计一RL等效电路，使RL等效电路与RC输出回路构成新的电源平面电路，且RL等效电路中设置有相应的目标电阻和目标电感，使新的电源平面电路的频域阻抗波形与有VR Model的电源平面电路的频域阻抗波形在Zone2频段处相似，从而确保在电源平面频域阻抗仿真中，RL等效电路能够完全代替上游电源厂商所提供的VR Model。而且，由于本实施例能够消除VR Model的获取问题，还有利于频域阻抗模拟方法在电源设计评估上推广使用。

该实施例未详细描述的部分，可以参见图3-图6所示的实施例，两者之间可以互相参照，在此不再赘述。

实施例三

在图3-图7所示实施例的基础之上参见图8，图8为为本申请实施例所提供的一种对电源平面频域阻抗进行仿真的系统的结构示意图。由图8可知，本申请还提供一种对电源平面频域阻抗进行仿真的系统，该系统主要包括：第一等效电路计算模块、目标电阻和目标电感确定模块以及仿真模块。其中，第一等效电路计算模块用于根据目标电源平面中的耦合电容，计算第一等效电路的参考电阻和参考电容，参考电阻和参考电容串联组成第一等效电路；目标电阻和目标电感确定模块用于根据参考电阻和参考电容，确定目标电阻和目标电感；仿真模块用于根据目标电阻和目标电感串联组成的第二等效电路，计算电源平面频域阻抗。

进一步地，本实施例中第一等效电路计算模块，根据其不同的工作原理，可以有两种类型。第一种等效电路计算模块包括：耦合电容模型获取单元和第一计算单元。其中个，耦合电容模型获取单元用于获取目标电压平面中预设的耦合电容模型；第一计算单元用于根据预设的耦合电容模型，计算参考电阻和参考电容。

第二种等效电路计算模块包括：耦合电容阻抗波形获取单元和第二计算单元。其中，耦合电容阻抗波形获取单元用于对目标电源平面中的耦合电容进行测试，获取耦合电容阻抗波形；第二计算单元用于根据耦合电容阻抗波形，计算参考电阻和参考电容。

进一步地，目标电阻和目标电感确定模块用于：根据第一等效电路和第二等效电路在截止频点的数学关系，计算目标电阻和目标电感，数学关系如下所示：

第一等效电路在截止频点处满足：

，

第二等效电路在截止频点处满足：

，

,

其中,

和

分别为第一等效电路和第二等效电路在截止频点的阻抗值，

为参考电阻，

为参考电容,

为目标电阻，

为目标电感。

进一步地，本申请中的仿真系统还包括有校验模块，校验模块用于：在第一频域范围内，计算第二等效电路中各个频点阻抗与参考电阻的平均差值；

当平均差值大于第一阈值时，减小目标电阻和/或目标电感；

当平均差值小于第二阈值时，增加目标电阻和/或目标电感；

其中，第一阈值大于第二阈值。

进一步地，带有校验模块的仿真系统中，仿真模块包括：阻抗值获取单元和波形生成单元。其中，阻抗值获取单元用于当平均差值介于第一阈值和第二阈值之间时，根据第二等效电路，计算目标电源平面各频点所对应的阻抗；波形生成单元，用于根据各频点所对应的阻抗，生成包括有第二频域范围的频域阻抗波形。

采用本实施例中的仿真系统，对电源平面频域阻抗进行仿真的方法和原理在图3-图7所示的实施例中已经详细阐述，三个实施例之间可以互相参照，在此不再赘述。

本申请还提供一种终端，该终端包括处理器和存储器，且处理器和存储器之间通信连接。其中，存储器中存储有指令，处理器用于执行存储器中的指令，且存储器中的指令包括图3-图7所示实施例中的电源平面频域阻抗仿真方法。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。