基于HyperLynx的數(shù)字電路設(shè)計(jì)綜合仿真方法

摘 要： 針對(duì)數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的信號(hào)完整性、散熱、電磁兼容性(EMC)等問(wèn)題，結(jié)合HyperLynx仿真軟件提出了一種綜合仿真方法。通過(guò)雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)例，詳細(xì)描述了HyperLynx各仿真模塊的功能和特點(diǎn)，為數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真提供了重要參考。
關(guān)鍵詞： HyperLynx；數(shù)字電路設(shè)計(jì)；綜合仿真；EDA

隨著IC制造工藝的迅速發(fā)展，以DSP、FPGA為代表的數(shù)字芯片的計(jì)算處理能力和數(shù)據(jù)傳輸能力得到了大幅提升，同時(shí)，也給高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)帶來(lái)了許多新的問(wèn)題。芯片特征尺寸的減小、工作主頻和集成度的提高以及特殊的應(yīng)用環(huán)境，使得數(shù)字電路系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)時(shí)信號(hào)完整性(SI)分析、系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)、電磁兼容性(EMC)等問(wèn)題不容忽視。近年來(lái)，借助EDA仿真軟件在整個(gè)電路設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行電、熱等方面綜合仿真的設(shè)計(jì)方法，逐步替代了依靠設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)和參考設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方法，大大縮短了設(shè)計(jì)周期，并顯著提高了設(shè)計(jì)成功率。目前，主要芯片廠商都推出了相關(guān)芯片的仿真模型及仿真軟件，EDA供應(yīng)商也提供了功能強(qiáng)大的電路設(shè)計(jì)仿真工具。HyperLynx正是一種針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的綜合仿真分析工具，包含多個(gè)不同功能的仿真模塊，能夠出色地完成信號(hào)完整性、熱分析、EMC等各項(xiàng)仿真任務(wù)，確保系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段就能預(yù)測(cè)和消除可能存在的問(wèn)題。
本文結(jié)合HyperLynx仿真軟件，以雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)為例，提出了一種數(shù)字電路設(shè)計(jì)的綜合仿真方法，詳細(xì)分析了HyperLynx中各仿真模塊的功用、使用方法及仿真結(jié)果，為數(shù)字電路設(shè)計(jì)提供了借鑒。多次的工程實(shí)踐表明，在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中合理運(yùn)用HyperLynx進(jìn)行綜合仿真能夠極大提高電路設(shè)計(jì)的成功率。
1 HyperLynx綜合仿真流程
1.1 HyperLynx仿真軟件介紹
HyperLynx是MENTOR公司針對(duì)原理圖仿真驗(yàn)證、信號(hào)完整性和電源完整性(PI)分析、熱仿真分析等問(wèn)題提供的綜合仿真分析工具，包括Analog、LineSim、BoardSim和Thermal四個(gè)模塊。在系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)過(guò)程中綜合運(yùn)用各仿真模塊，可以為設(shè)計(jì)提出綜合性的指導(dǎo)和反饋建議，確保系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段就能達(dá)到預(yù)期要求。
Analog模塊為原理圖驗(yàn)證提供了數(shù)?；旌想娐贩抡娴墓δ?，可以對(duì)原理圖中各點(diǎn)的靜態(tài)特性、工作波形及頻域特性進(jìn)行仿真計(jì)算，還可以通過(guò)蒙特卡洛（Mente Carlo）分析或參數(shù)掃描（Parameter Sweep）分析，測(cè)試電路中元器件的參數(shù)在一定范圍內(nèi)的變化對(duì)輸出波形的影響，為電路參數(shù)的優(yōu)化提供參考。
LineSim和BoardSim主要針對(duì)SI分析和PI分析，分別用于系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的Pre-layout（布線前）和Post-layout（布線后）仿真階段。在PI分析中，可以得到系統(tǒng)多電源區(qū)域的劃分策略以及電源退耦和濾波電容的各種參數(shù)，為電源設(shè)計(jì)及噪聲分析等復(fù)雜問(wèn)題提供了指導(dǎo)。而進(jìn)行SI分析時(shí)，通過(guò)LineSim和BoardSim的交互式使用，可以指導(dǎo)PCB疊層設(shè)計(jì)及實(shí)際的布局布線，分析信號(hào)的傳輸特性和串?dāng)_，保證系統(tǒng)電路高速的傳輸特性。此外，BoardSim還可進(jìn)行多板仿真和接插件仿真，從系統(tǒng)整體角度考慮串?dāng)_強(qiáng)度、阻抗連續(xù)性、整個(gè)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的完整性及EMC等問(wèn)題。
熱仿真模塊Thermal則可直接將Layout文件導(dǎo)入到軟件中，這樣就解決了由于系統(tǒng)建模以及缺乏準(zhǔn)確的輸入?yún)?shù)和邊界條件所導(dǎo)致的分析誤差較大的問(wèn)題[1]。同時(shí)，Thermal還可以識(shí)別超過(guò)限值的元件和板溫度并給出整板的彩色溫度梯度圖，進(jìn)而分析通過(guò)不同的散熱設(shè)計(jì)對(duì)于系統(tǒng)散熱性能的改善。
運(yùn)用HyperLynx的各仿真模塊可以對(duì)整個(gè)電路設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的主要問(wèn)題進(jìn)行仿真分析。本文主要介紹運(yùn)用LineSim、BoardSim和Thermal模塊在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中進(jìn)行SI仿真、熱仿真和EMC仿真的主要流程及仿真結(jié)果。
1.2 綜合仿真流程
電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要的兩個(gè)因素即系統(tǒng)的功能性和穩(wěn)定性。數(shù)字電路系統(tǒng)不僅要有豐富的設(shè)計(jì)功能，更重要的是在不同的工作環(huán)境下要有穩(wěn)定的工作狀態(tài)，這對(duì)電路設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)格的約束和極高的要求。首先，芯片的主頻越來(lái)越高，PCB布線密度越來(lái)越大，使得信號(hào)完整性等高速數(shù)字仿真問(wèn)題顯得格外重要；其次，目前在數(shù)字電路系統(tǒng)的應(yīng)用中，系統(tǒng)大多是封閉的并且安裝緊密，熱量的往復(fù)很大。以往設(shè)計(jì)中熱仿真分析未引起足夠的重視，導(dǎo)致系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中不正常工作甚至崩潰，所以良好的導(dǎo)熱、散熱設(shè)計(jì)日漸成為影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵性的問(wèn)題；第三，傳統(tǒng)的在PCB設(shè)計(jì)完成后才能暴露出的系統(tǒng)EMC與電磁輻射（EMI）等問(wèn)題，將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)需要進(jìn)行重復(fù)性設(shè)計(jì)，因此，在電路設(shè)計(jì)階段進(jìn)行EMC與EMI分析成為提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率的一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。
針對(duì)以上數(shù)字電路設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的幾個(gè)問(wèn)題，圖1給出了運(yùn)用HyperLynx進(jìn)行綜合仿真的流程圖。仿真過(guò)程一般分以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：

(1)原理圖確定之后，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求及相關(guān)的器件資料確定仿真模型和仿真參數(shù)，在Pre-layout仿真中通過(guò)端接、時(shí)序、串?dāng)_等仿真確定電路布局布線規(guī)則、模塊間的拓?fù)潢P(guān)系、信號(hào)端接策略等。
(2)在完成布局布線后，通過(guò)Post-layout仿真生成整板的信號(hào)完整性報(bào)告，對(duì)PCB進(jìn)行局部修改，并對(duì)關(guān)鍵信號(hào)進(jìn)行阻抗連續(xù)性、串?dāng)_等仿真。
(3)對(duì)系統(tǒng)整體建模（包括安裝腔體），設(shè)置不同的工作環(huán)境條件，完成熱仿真，指導(dǎo)系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)。
(4)結(jié)合應(yīng)用背景對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行EMC仿真。
2 設(shè)計(jì)實(shí)例
2.1 系統(tǒng)架構(gòu)及仿真需求
圖2是一個(gè)由4片ADSP-TS201和XC5VSX35T（Xilinx-Virtex5系列FPGA）構(gòu)成的并行信號(hào)處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，用于某多功能雷達(dá)的實(shí)時(shí)信號(hào)處理。該系統(tǒng)采用共享總線的緊耦合架構(gòu)，4個(gè)DSP通過(guò)高達(dá)4 Gb/s數(shù)據(jù)吞吐量的鏈路口實(shí)現(xiàn)了彼此的全互聯(lián)，可靈活地支持共享總線與消息傳遞兩類主要并行計(jì)算模型。同時(shí)，與外部其他板卡通過(guò)高速鏈路口及總線互聯(lián)，擁有高速、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換與靈活可靠的控制能力。該系統(tǒng)要求電路設(shè)計(jì)必須滿足：

(1)系統(tǒng)主頻能穩(wěn)定運(yùn)行于480 MHz（芯片最高主頻500 MHz)，為了保證各處理器同步，4片DSP及FPGA的工作時(shí)鐘必須同頻同相。
(2)系統(tǒng)外頻，即共享總線能穩(wěn)定運(yùn)行于80 MHz，從而使得每個(gè)DSP可通過(guò)共享總線以相同速度訪問(wèn)其他3個(gè)DSP及共享存儲(chǔ)器(SDRAM和Flash)。
(3)系統(tǒng)主頻480 MHz的條件下，鏈路口能以最高性能全速運(yùn)行，即雙向吞吐量960 MB/通道；
(4)熱約束詳見(jiàn)本文熱仿真部分。
下面將通過(guò)該實(shí)例來(lái)介紹如何運(yùn)用HyperLynx各仿真模塊，以確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠滿足如上需求。表1給出了仿真中用到的仿真模型參數(shù)及部分約束條件，除特殊說(shuō)明外，參數(shù)設(shè)置參照表1。

2.2 SI仿真
2.2.1 Pre-layout仿真
(1)根據(jù)設(shè)計(jì)需求，確定總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及PCB疊層。
目前，多片處理器互聯(lián)常用的總線拓?fù)渲饕芯栈ㄦ満托切蛢煞N拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在菊花鏈結(jié)構(gòu)下，接收端DSP接收波形不僅傳輸延遲不同，而且靠近驅(qū)動(dòng)端的DSP波形受到嚴(yán)重的反射影響。更重要的是，菊花鏈結(jié)構(gòu)只適用于總線上僅有一個(gè)Master的情形，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)需求中DSP0-DSP3中任何一個(gè)都可為驅(qū)動(dòng)方(即總線Master)的需求，因而本設(shè)計(jì)中選擇星型結(jié)構(gòu)的總線拓?fù)?。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確定后，綜合考慮布線約束、布線空間、制造工藝、PCB厚度等方面的因素，就可以初步確定層數(shù)、層厚、介質(zhì)厚度與介電常數(shù)、疊層分配等，調(diào)整合適的特征阻抗和傳輸速率，從而確定PCB的疊層設(shè)計(jì)。
(2)通過(guò)端接策略和時(shí)序仿真，確定關(guān)鍵信號(hào)的端接方式和布線規(guī)則。
為了保證信號(hào)完整性，從理論上講，星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的每個(gè)分支都應(yīng)進(jìn)行AC端接，然而每個(gè)分支進(jìn)行端接的方案在實(shí)際中存在兩個(gè)問(wèn)題：(1)端接元件數(shù)目巨大，布局布線難以實(shí)現(xiàn)；(2)負(fù)載增加，在DSP驅(qū)動(dòng)能力一定的情形下，信號(hào)上升時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而無(wú)法滿足要求。因而實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)該結(jié)合器件的時(shí)序需求，合理安排端接，確保信號(hào)完整性滿足需求。
圖3是TS201驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度配置為-5級(jí)、所有分支無(wú)端接時(shí)總線信號(hào)接收端的仿真結(jié)果。圖3中，Testload表示TS201數(shù)據(jù)手冊(cè)中時(shí)序參數(shù)測(cè)試時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載對(duì)應(yīng)的接收波形，其他則為實(shí)際拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和傳輸特性下幾個(gè)DSP和SDRAM的接收波形。由圖3可見(jiàn)，與標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載下的接收信號(hào)相比，實(shí)際負(fù)載條件下的接收信號(hào)波形雖然有嚴(yán)重過(guò)沖，但TS201引腳內(nèi)部的鉗位電路使之可兼容3.3 V信號(hào)，因而引起的過(guò)沖效應(yīng)可以忽略，只要再分析信號(hào)的時(shí)序裕量即可。

DSP處理器總線操作時(shí)序裕量的典型定義為：

(3)通過(guò)串?dāng)_仿真，確定合理的布線間距等參數(shù)。
在DSP、FPGA芯片和星型拓?fù)洳季€通道等區(qū)域布線密度很大，不同信號(hào)線間容易產(chǎn)生串?dāng)_。特別是總線類型的信號(hào)線，為了保持等長(zhǎng)，通常采用1簇平行線，必須對(duì)線間距以及平行線最大長(zhǎng)度等進(jìn)行必要的限制。以DSP相鄰的兩數(shù)據(jù)線為例，若設(shè)線間距5 mil(1 mil=0.025 4 mm)、線寬7 mil、耦合長(zhǎng)度1.5英寸(1英寸=2.54 cm)，則干擾源端對(duì)接收端產(chǎn)生的串?dāng)_信號(hào)幅度最大為243 mV，超過(guò)了150 mV串?dāng)_閾值要求。根據(jù)高速數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)南嚓P(guān)理論，可采取加大線間距、減小平行走線（即耦合長(zhǎng)度）等措施減少串?dāng)_影響，相關(guān)參數(shù)調(diào)整后的串?dāng)_信號(hào)明顯下降。
2.2.2 Post-layout仿真
根據(jù)Pre-layout仿真得到的布線約束，完成PCB的布局布線。由于布局布線的密度很大，尤其是在星型拓?fù)涞闹行奈恢煤虰GA內(nèi)部，而且高速信號(hào)也多集中在此區(qū)域，因此借助BoardSim的整板交互式仿真工具，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)如串?dāng)_閾值、時(shí)延最大誤差、阻抗最大誤差等，可以得到整板的端接、時(shí)序、串?dāng)_、阻抗等信號(hào)完整性報(bào)告。
2.3 系統(tǒng)熱仿真
熱通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射三種方式傳遞[5]，熱仿真主要從這三個(gè)方面分別考慮，指導(dǎo)散熱設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在Thermal中導(dǎo)入PCB文件，設(shè)置熱仿真模型參數(shù)如表3所示。

通常條件下，處理器的散熱可通過(guò)在其頂部加裝散射片來(lái)解決。從圖4可以看出，在系統(tǒng)非密閉的情況下，在DSP和FPGA上加裝散熱片(散熱片的參數(shù)設(shè)置見(jiàn)文獻(xiàn)[6])能夠有效地降低系統(tǒng)溫度。然而，許多應(yīng)用中的多處理器系統(tǒng)往往處于密閉腔體中，熱往復(fù)很大，依靠散熱片擴(kuò)大散熱面積的方法難以得到很好的效果。為了改善密閉環(huán)境下的散熱效果，通?？刹捎茫?1)PCB平面層散熱；(2)PCB敷裸銅并使之與金屬腔體緊密相連，利用金屬腔體散熱；(3)專用的導(dǎo)熱管等。這些措施的散熱效果可通過(guò)在Thermal中設(shè)置適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件來(lái)進(jìn)行仿真。在本系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)中，通過(guò)(1)和(2)兩種措施來(lái)增強(qiáng)散熱效果。根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，PCB三條邊與金屬殼體相連，從圖5的仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)散熱得到了很好的解決，溫度控制在所有芯片的正常工作范圍內(nèi)。系統(tǒng)的最高溫度出現(xiàn)在FPGA處，為了進(jìn)一步改善散熱效果，可在FPGA頂部設(shè)計(jì)導(dǎo)熱管與腔體相連。

2.4 PCB板EMC仿真
前面提到BoardSim的多板仿真可為EMC問(wèn)題提供指導(dǎo)，在PCB以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮疊層設(shè)置、屏蔽措施、接地設(shè)計(jì)等問(wèn)題。通常，在數(shù)字系統(tǒng)中，時(shí)鐘信號(hào)是最大的輻射源，以系統(tǒng)與其他系統(tǒng)板間互聯(lián)的80 MHz時(shí)鐘線為例，在BoardSim中自動(dòng)檢查該網(wǎng)絡(luò)的輻射，在測(cè)試距離為3 m時(shí)，80 MHz時(shí)鐘信號(hào)在各個(gè)頻點(diǎn)輻射都沒(méi)有超過(guò)FCC、CISPR-Class A&B[7]的輻射標(biāo)準(zhǔn)。
本文針對(duì)數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的信號(hào)完整性、散熱、EMC等問(wèn)題，通過(guò)雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)例，介紹了HyperLynx仿真工具中各個(gè)模塊的特點(diǎn)、功用及使用方法，為系統(tǒng)的散熱方案、總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及端接策略等提供了指導(dǎo)性的建議，預(yù)測(cè)并消除了大量可能存在的問(wèn)題，為數(shù)字系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)與仿真提供了重要參考。實(shí)踐表明，綜合運(yùn)用HyperLynx仿真工具中的各個(gè)模塊進(jìn)行數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以使PCB設(shè)計(jì)過(guò)程更加完整、準(zhǔn)確，并顯著改善系統(tǒng)電路性能，提高設(shè)計(jì)的成功率。
參考文獻(xiàn)
[1] CLEMENS J M.The conceivable accuracy of experimental and numerical thermal analysis of electronic systems[DB/OL]. IEEE，2001.
[2] Plexus Corp.ADSP-TS101S MP system simulation and analysis(Rev.1.2)[Z].Plexus Corp，2002.
[3] Analog Devices Inc.Datasheet final-ADSP-TS201 tiger-SHARC embedded processor(Rev.C)[Z].Analog Devices Inc，2006.
[4] JOHNSON H，GRAHAM M.High-Speed digital design：a handbook of black magic[M].Prentice Hall PTR，1993.
[5] 余建祖.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)及分析技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000.
[6] Analog Devices Inc.Thermal relief design for ADSP-TS201S tiger SHARC processors(EE-182)[Z].Analog Devices Inc，2004.
[7] PAUL C R.Introduction to electromagnetic compatibility (second edition)[M].John Wiley & Sons，Inc，2007.
[8] 張海風(fēng).HyperLynx仿真與PCB設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.
[9] Mentor Graphics Corp.HyperLynx thermal user manual(Rev.9.0.1)[Z].Mentor Graphics Corp，2008.