HyperLynx Hybrid Solver

Der HyperLynx Hybrid Solver ist ein Zerlegungslöser, der entwickelt wurde, um elektromagnetische Modelle für geschichtete elektronische Strukturen wie Leiterplatten und flexible Kabel zu erstellen. Es ist eng in HyperLynx Signal and Power Integrity integriert, um genaue, automatisierte Systemanalyse-Workflows bereitzustellen.

HyperLynx-Ressourcen

Hybride Solver-Anwendungen

Der HyperLynx Hybrid Solver zerlegt ein Design in Spuren, Ebenen und Durchkontaktierungen, indem er für jeden Abschnitt ein Modell erstellt und dann mithilfe einer Vielzahl verschiedener Solver-Methoden das Gesamtverhalten berechnet. Es wird davon ausgegangen, dass die Struktur planar ist (oder im Fall von Kabeln ein Querschnitt), sodass diese Analysetechniken gültig sind. Hybride Solver sind weniger rechen- und speicherintensiv als Full-Wave-Solver und können daher größere Strukturen modellieren. Wo die „Cut and Stitch“ -Methode verwendet wird, um Signalpfade mit einem Full-Wave-Solver zu modellieren, modelliert ein Hybrid-Solver den gesamten Signalpfad und führt die Zerlegung im Solver durch.

Der HyperLynx Hybrid Solver eignet sich ideal für die Durchführung leistungsbezogener Analysen ganzer DDR-Schnittstellen, bei denen es wichtig ist, die Auswirkungen der Stromverteilung im Rückweg und des Simultaneous Switching Noise (SSN) zu erfassen. Es eignet sich auch ideal für die Integrität der Wechselstromversorgung auf Vollplatinen, die Modellierung von Entkopplungskondensatoren und die Stromversorgung der IC-Pins. Der Hybrid-Solver eignet sich besonders gut für Energieintegrität, da er partielle Triebwerke und die damit verbundenen Randeffekte modelliert.

Analyse des Rückweges

Leistungsbewusste Signalintegrität

Herkömmliche Signalintegrität geht davon aus, dass Signale ideale Rückwege haben; sie existieren immer über einer Referenzebene, ohne Referenzunterbrechung beim Umschalten der Signalebenenschichten. Traditionell wird auch davon ausgegangen, dass die ideale Leistung an die Ausgangspuffer des Geräts geliefert wird.

In der realen Welt müssen Rückströme, die auf einer Referenzebene fließen, einen kontinuierlichen elektrischen Pfad zu einer anderen finden, was in der Regel nahegelegene Nähverbindungen beinhaltet. Jede Umleitung des Rückstroms erzeugt eine zusätzliche Induktivität, die das Signalverhalten beeinflusst und zu einer Kopplung zwischen Signalen durch ein Phänomen führen kann, das als Rückstromteilung bekannt ist. Ebenso ist die Stromschiene an einem Ausgangspuffer nicht ideal, und die Treiberspannung kann sinken, wenn viele Ausgänge gleichzeitig in dieselbe Richtung schalten. Die Höhe des Spannungsabfalls wird durch die Ausgangsflankenrate, die Treiberstärke, einen Schalteffekt, der als Brechstangenstrom bekannt ist, und das Ausmaß der kapazitiven Hochfrequenzentkopplung bestimmt, die diesen Bereich des Chips versorgt. Ein Abfall der Ausgangsstromschiene reduziert die dem Ausgangstreiber zur Verfügung stehende Leistung, wodurch die Ausgangsflankenrate gemildert und verlangsamt wird. Dieses Phänomen ist als Simultaneous Switching Noise oder SSN bekannt. SSN reduziert die Signalbetriebsmargen und kann in schweren Fällen das verfügbare Auge am Empfängereingang schließen.

Die Verwendung eines idealen Signalrückwegs ermöglicht eine schnelle Modellierung, vernachlässigt jedoch die Auswirkungen von Trace over Split, geteiltem Rückweg aufgrund unzureichender Stitching-Vias, Kopplung zwischen Signal-Vias und Signal über Crosstalk durch den Stromhohlraum. Das Einbeziehen dieser Effekte ermöglicht eine realistischere Schätzung der operativen Marge auf Kosten von mehr Modellierungs- und Simulationsrechenzeit. Das Einbeziehen dieser Effekte wird die Designmarge immer nur reduzieren, nicht erhöhen. Es ist sinnvoll, zuerst eine Analyse mit idealisierten Rückwegen durchzuführen - denn wenn das Design im Idealfall nicht besteht, wird es auch in einem realistischeren Fall nicht bestanden.

Bei der Verwendung der idealen IC-Stromversorgung werden die Auswirkungen von SSN vernachlässigt, während durch das Hinzufügen eines genauen Modells der Stromabgabeeigenschaften der Platine zu den IC-Pins diese Effekte quantifiziert werden können. Diese Analyse erfordert ein leistungsbewusstes IBIS-Modell für den IC und verlangsamt den Simulationsprozess. Aus den gleichen Gründen wie zuvor sollten diese Effekte erst berücksichtigt werden, wenn ein Design die Analyse mit idealer Trennschärfe bestanden hat.

Um die Auswirkungen nicht idealer Rückwege und SSN korrekt zu modellieren und zu simulieren, ist ein genaues Verbindungsmodell erforderlich, das das kombinierte Verhalten von Signalspuren und dem Power-Delivery Network (PDN) der Platine berücksichtigt. Der HyperLynx Hybrid Solver kann diese kombinierten Verbindungsmodelle direkt aus BoardSim erstellen — der Benutzer spezifiziert die interessierenden Signale und Frequenzen, und der Hybrid-Solver erstellt ein S-Parameter-Modell, das direkt in BoardSim-Simulationen aufgenommen werden kann.

Energieintegrität auf PCB-Ebene

Moderne Leiterplatten haben mehrere Stromversorgungen, von denen einige nur teilweise Ebenen auf bestimmten Schichten der Platine sind. Um die Leistungsabgabe genau zu modellieren, müssen diese Teilebenen zusammen mit den Entkopplungskondensatoren und den zugehörigen parasitären Komponenten sowie den Schleifeninduktivitäten der Fanout-Struktur jedes Kondensators korrekt modelliert werden. Die Position der Strom- und Masseflächen innerhalb des Stacks sowie die Anordnung des Kondensators und der Fanout haben einen großen Einfluss auf die Impedanzcharakteristik des Power Delivery Network (PDN), wie sie von den verschiedenen ICs gesehen wird.

Komponenten verbrauchen Strom in einem breiten Frequenzbereich, von Gleichstrom bis zu ihren internen Schaltgeschwindigkeiten (normalerweise im GHz-Bereich). Einfach viel Strom mit Gleichstrom bereitzustellen, reicht nicht aus, denn wenn ein Hochgeschwindigkeitsstromkreis schaltet, entsteht ein sofortiger Strombedarf zur Unterstützung des Schaltereignisses. Weil sich EM-Wellen mit endlicher Geschwindigkeit ausbreiten, gibt es keine Zeit, um zusätzliche Energie zum VRM und zurück zu fließen — es muss ein lokales Ladungsreservoir (einen Kondensator) geben, das angezapft werden kann. Das ist die Rolle, die Entkopplungskondensatoren in Power Delivery Networks spielen.

In der Praxis ist das PDN eine verteilte Hierarchie von Kondensatoren, die mit dem Spannungsregler (VRM) beginnt und mit den Kondensatoren auf dem IC-Chip selbst endet. Dazwischen gibt es eine Vielzahl von Kondensatoren auf der Platine, die von großen bis hin zu kleinen Geräten wie 0204 s reichen, optionale Kondensatoren auf dem IC-Gehäuse und kapazitive Strukturen, die Teil des IC-Layouts sind. Jede Gruppe von Kondensatoren deckt den Leistungsbedarf bei sukzessive höheren Frequenzen ab, wobei sich die Kondensatoren mit der höchsten Frequenz auf dem Chip selbst befinden.

Die Induktivität ist der primäre begrenzende Faktor für die Entkopplung von Kondensatoren, weil sie die Frequenzen begrenzt, die ein bestimmter Kondensator verarbeiten kann. Daher sind Kondensatorwert, Platzierung und Fanout wichtige Merkmale für Hochfrequenz-Leiterplatten- und Gehäusekondensatoren. Die Induktivität, die mit den Strom- und Erdungsstiften des IC-Pakets verbunden ist, filtert effektiv die an den IC abgegebene Leistung; ab einem bestimmten Punkt spielt es keine Rolle, ob die Leiterplatte Hochfrequenzstrom liefern kann oder nicht, weil sie es nicht durch das PC-Gehäuse bis zum Chip schaffen würde. Das Paket und das IC-Paket müssen ab diesem Punkt die Ladung nach vorne tragen.

Daher bezieht sich die Integrität der Wechselstromversorgung auf Platinenebene in der Regel auf Frequenzen, die an der oberen Grenze des VRM beginnen (typischerweise 5-25 kHz) und bei der Abschaltfrequenz für das IC-Paket enden (typischerweise 25-100 MHz). Die Grenzfrequenz für das IC-Paket sinkt in der Regel, wenn die Pakete größer werden, weil die Gehäuse-Induktivität zunimmt und das Gehäuse daher einen größeren Teil der Hochfrequenzlast tragen muss.

Bei der Analyse eines PCB-PDN ist es von entscheidender Bedeutung, die Entkopplungskondensatoren und ihre inhärenten parasitären Induktivitäten und Widerstände, die Details des Kondensator-Fanouts und die Positionen und Werte der Kondensatoren zu modellieren. Die Impedanz des PDN wird an verschiedenen IC-Pins gemessen, um das PDN-Profil zu ermitteln, das an jedem IC zu sehen ist.

Wenn eine Leiterplatte einfache Stromversorgungsschichten hat, bei denen ein ganzes Flugzeug geerdet ist, oder eine einzelne Stromversorgung, können schnelle AC-Analysemethoden angewendet werden — aber nur wenige moderne Leiterplatten werden auf diese Weise hergestellt. Wenn die Antriebs- und Bodenflächen unregelmäßig werden, ist eine detailliertere Modellierung erforderlich, um ihr Verhalten zu erfassen. Der HyperLynx Hybrid Solver kann das Verhalten von beliebig geformten Strom- und Masseflächen präzise erfassen, einschließlich der Verwendung langer, breiter Leiterbahnen, um einzelne Komponenten mit Strom zu versorgen. Der Hybrid-Solver ist nahtlos in den Advanced Decoupling-Workflow integriert. Sobald der Benutzer die zu analysierende Spannungsversorgung identifiziert und eingerichtet hat, erledigt der Hybrid-Solver den Rest.

HyperLynx-Integration und Benutzerfreundlichkeit

Der HyperLynx-Hybrid-Solver ist ein eng integrierter Bestandteil der Workflows zur Signal- und Energieintegrität. Innerhalb dieser Workflows führen automatische Analyseassistenten die Benutzer Schritt für Schritt durch die Einrichtungs- und Analyseprozesse. Die Benutzer folgen den Assistenten, die die Fragen auf jeder Seite beantworten, und HyperLynx erledigt den Rest!

Innerhalb des leistungsbewussten HL-SI DDR SI-Workflows wird der Hybrid-Solver verwendet, um ein Systemmodell zu erstellen, das die Hochgeschwindigkeits-DDR-Signale zusammen mit dem PDN und ihren Interaktionen beinhaltet. Dieses Modell wird verwendet, um die Auswirkungen sowohl von nicht idealen Rückwegen als auch von gleichzeitigem Schaltgeräusch zu untersuchen.

Im Rahmen des erweiterten Entkopplungs-Workflows von HL-PI wird der Hybrid-Solver verwendet, um ein Modell der Leiterplatte zu erstellen, das VRM, das PDN auf Platinenebene, Entkopplungskondensatoren und die IC-Pins umfasst, an denen die PDN-Impedanz analysiert werden soll.

In jedem Fall werden die Merkmale auf Leiterplattenebene automatisch extrahiert und verwendet, um einsatzbereite Projekte für den Solver zu erstellen, die gelöst und nachbearbeitet werden, um effiziente, genaue, passive, kausale S-Parameter-Modelle zu erstellen, die dann in Simulationen auf Systemebene integriert werden. Die S-Parameter-Modelle, die vom Hybrid Solver ausgegeben werden, dokumentieren die Analyse und die Verbindungsdetails für jeden Port, um eine korrekte Konnektivität sicherzustellen, wenn die gesamte Netzliste des Systems erstellt wird.

Skripterstellung und Automatisierung

Die Signal- und Leistungsintegritätsanalyse sind komplexe, mehrstufige Prozesse, bei denen die Änderung einer einzelnen Option das Endergebnis erheblich beeinflussen kann. Da diese Simulationen oft langwierig, rechen- und speicherintensiv sind, ist es wichtig sicherzustellen, dass Simulationen ordnungsgemäß eingerichtet und konsistent durchgeführt werden. Ohne die Möglichkeit sicherzustellen, dass Simulationen konsistent und genau durchgeführt werden, geht viel Zeit mit Anpassungen und Nachsimulationen verloren.

HyperLynx Advanced Solvers können sowohl interaktiv als auch durch Python-basierte Automatisierung ausgeführt werden. Dadurch können Designs zunächst mithilfe interaktiver Analysen eingerichtet, analysiert und debuggt werden, um optimale Simulationseinstellungen zu ermitteln. Dann, wenn das Design wiederholt wird, können diese Einstellungen durch Automatisierung wiederverwendet werden, um sicherzustellen, dass die Analyse immer auf die gleiche Weise durchgeführt wird, Berichte zu denselben Metriken erstellt werden und dieselben Ausgabemodelle erstellt werden. Eine interaktive Befehlszeilen-Skriptumgebung ist direkt mit den Solvern verfügbar, sodass Benutzer ihre Automatisierungsskripte entwickeln und testen können.

Die HyperLynx Advanced Solver-Automatisierung ist Teil eines umfassenderen Skripting-Frameworks für die gesamte HyperLynx-Familie, das die Erstellung automatisierter Analyseabläufe mit mehreren Tools ermöglicht. Dieses objektorientierte Skripting-Framework umfasst vordefinierte Abläufe für die Analyse der Stromversorgungsintegrität, Signalintegrität und Konformität serieller Verbindungen, die es Benutzern ermöglichen, komplexe Analysen mit nur wenigen Zeilen benutzerdefiniertem Code durchzuführen.