在進行AC阻抗分析、去耦電容方案優化、同步開關噪聲(SSN)分析等電源完整性仿真或Power-Aware信號完整性仿真中,需要設置各種電容型號的模型,模型種類一般包括只有一個容值的理想電容模型、包含RLC寄生參數值的一階SPICE模型、更復雜的多階SPICE模型以及寬帶S參數模型,模型的精確性依次升高。在進行仿真前,需要盡可能地找到與你仿真電源、電路相關的所有電容型號模型,才能得到一個更具參考價值的仿真結果。
理想電容模型是最容易定義的一種模型,只要知道你的設計容值即可,但該種模型并不能準確描述電容的寬帶行為,表現不出諧振特性,仿真結果不具備很好的參考價值;一階SPICE模型常常在找不到多階SPICE模型和S參數模型時使用,很多公司有各種不同容值不同封裝大小電容的RLC參數表,可以根據查表估算模擬;多階SPICE和S參數模型往往是電容廠商提供,可以到他們的官網搜索對應型號下載。一些公司也會制作電容測量系統自己得到S參數模型,這種方式雖然成本很高,但像一些國產電容一般原廠拿不到模型用,只能自己測或者使用簡單RLC模型模擬,另外自己測量得到的電容模型更加接近真實使用環境,比如包括安裝效應。總結一下,使用電容原廠提供的S參數或SPICE模型,是既方便快捷又保證精確性的方法;如果沒有,可以使用一階RLC模型代替,犧牲一定的精確性,但結果也具有參考價值;還可以制作測試板等測量系統自己測電容的S參數,花些成本與時間來保證最高精度。
除了選擇電容模型,還有另外一件困擾工程師的事情,就是在拿到模型后,如何很好地在仿真軟件中應用和管理,下面以Sigrity PowerSI為例,說明針對上述電容模型,如何實現創建、導入、應用、管理等操作。Sigrity的其它PI軟件和模型抽取軟件如OptimizePI、Clarity 3D Solver,使用方法上基本一致。這里要特別提一點,在安裝完成Sigrity軟件后,提供了如下圖所示的多家電容廠商電容模型庫,里面有SPICE模型也有S參數模型,默認路徑在《Sigrityxxxx_install》\share\library\decap_library。
Sigrity中添加、導入、應用電容模型的方式主要有兩種,一種是在Component Manager器件管理器中進行操作,一種是在Sigirty統一的模型管理模塊AMM中操作,具體地,參考下面的步驟。
01 通過Component Manager器件管理器進行
1) 打開Component Manager,選擇一個電容模型或者一個電容器件,點擊edit
2) 打開編輯該Model或該電容器件的Model
3) 在Model編輯界面,創建或導入去耦電容模型的方法如下
a. 一階RLC模型:在Definition界面按照語法規則手動輸入電容的寄生參數
也可以簡單地只輸入電容的容值,即為理想電容;或輸入更復雜拓撲的SPICE描述電路,來定義多階SPICE模型,當然多階SPICE一般很難自己定義,還是建議拿到廠商提供的SPICE導入。
b. S參數模型(.s2p):在Definition界面按照語法規則輸入電容S參數模型的調用指令
“Model =”后面加的是模型完整路徑。
S參數電容模型分串聯(Series)和并聯(Shunt)測量兩種(Sigirty安裝目錄中的電容模型均為串聯),節點與port的連接語法見下表。
上面兩種在Definition中編輯完成后,點擊OK,會彈出一個對話框,表示該類電容的模型全部定義成功,點擊OK即可。
c. SPICE模型(.ckt/.mod/.sp等):如果是SPICE的電容模型文件,可以通過右側Model File欄進行導入
Type選擇MCP,點擊Select MCP,打開編輯窗口
選擇導入的SPICE文件,.ckt/.sp模型直接識別,.mod模型需要選擇All Files來識別。然后點擊Edit Header按鈕,打開MCP Header Editor。
添加一個MCP的連接端口,分別將模型中的Port1和2設置為電源與地。設置完成后,點擊OK,回到MCP Editor界面,MCP的連接端口出現,此時將器件的端口與模型剛設置的連接端口互連,這樣就完成了基于MCP的SPICE模型的定義。
點擊OK后,回到Model編輯界面,可以看到.mod的SPICE模型已經通過MCP的連接端口連到電容上了,點擊OK即可。
同樣的,所有同類電容全部附上了該SPICE模型。
02 通過AMM模型管理模塊實現電容庫中模型的導入與使用
1) 在PowerSI流程界面,點擊Assign Capacitor Models,打開AMM的Model Assignment界面,選中一個要附模型的電容,點擊Browse Model → OK ,然后就打開了AMM管理器
2) 選擇菜單欄Library – Load Library,導入Sigirty安裝目錄中的各廠家的電容庫
找到Sigrity電容庫的路徑,選擇一個廠家的電容庫文件夾打開,選擇.xml等格式的模型庫頭文件,即可打開對應的模型庫。
選擇Discrete中Capacitor一欄,點擊庫名字,所有的電容模型就會顯示在右側主窗口。
3) 可以使用查找功能,根據容值、封裝SIZE等在該庫中找到想要的電容。
可以使用查找功能,根據容值、封裝SIZE等在該庫中找到想要的電容,點擊Search后,所有滿足條件的電容會列出來,選擇其中一個電容,點擊Select,跳轉到Model Assignment界面,顯示該類所有電容已經附上這個模型了,status一列顯示為綠色Validated字樣,表示模型附成功了,點擊OK即可。.ckt、.mod、.s2p等各種格式的電容模型均可以通過該方式實現導入與使用。
03 在AMM中創建一個自己的電容庫
1) 打開DecapGenerator.exe,具體路徑在Cadence – Sigrity xxxx – tools – bin文件夾中
2) 打開后在Source File一欄導入庫頭文件的.xls模板表格(默認模板表的路徑在Cadence – Sigrity xxxx – share– SpeedXP – Samples – OptimizePI – Decap_Generator)
在Destination File一欄中選擇你要將轉換后的.ammx/.amm文件保存在哪里,并定義文件名稱,然后選擇頭文件中你要使用的項目(一般默認即可),最后點擊Convert,即可將.xls格式轉換為AMM模型管理器可以調用的.ammx/.amm格式的文件。
3) 打開AMM模型管理器,選擇Load Library,找到剛才轉換的.ammx/.amm文件,導入后如下圖。
4) 可以將不需要的模型刪除,添加自己的模型有兩種方式。
a. 直接在窗口新建與編輯導入
可以使能By RLC,參數化設置RLC三個寄生參數值,定義一個一階RLC模型;也可以使能By SPICE,選擇Edit SPICE按鈕,打開電路定義編輯界面,在這里可以直接導入S參數模型或多種格式的SPICE模型。
b. 選擇External Libraries,可以導入Sigrity安裝路徑下的各電容庫,也可導入其他項目的電容庫,作為external庫使用。
導入打開external庫后,可以在庫中查找想要的模型,選中該模型右鍵,copy to project library將該模型添加到自己的庫中。
編輯好自己的庫所有模型后,保存即可。項目中如果要使用該庫,通過AMM或流程中Assign Capacitor等方式打開模型管理器導入使用即可,附模型操作參照上面所述。
以上比較完整地介紹了Sigrity中電容模型的使用方法,靈活選用設置方式可以大大提高我們的SI/PI/EMC仿真效率,希望本篇文章可以對仿真工程師的項目有所幫助。
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