基于HyperLynx的数字电路设计综合仿真方法

摘 要： 针对数字电路系统设计中存在的信号完整性、散热、电磁兼容性(EMC)等问题，结合HyperLynx仿真软件提出了一种综合仿真方法。通过雷达信号处理机的设计实例，详细描述了HyperLynx各仿真模块的功能和特点，为数字电路系统设计与仿真提供了重要参考。
关键词： HyperLynx；数字电路设计；综合仿真；EDA

随着IC制造工艺的迅速发展，以DSP、FPGA为代表的数字芯片的计算处理能力和数据传输能力得到了大幅提升，同时，也给高速数字电路设计带来了许多新的问题。芯片特征尺寸的减小、工作主频和集成度的提高以及特殊的应用环境，使得数字电路系统电路设计时信号完整性(SI)分析、系统散热设计、电磁兼容性(EMC)等问题不容忽视。近年来，借助EDA仿真软件在整个电路设计过程中进行电、热等方面综合仿真的设计方法，逐步替代了依靠设计者经验和参考设计的传统方法，大大缩短了设计周期，并显著提高了设计成功率。目前，主要芯片厂商都推出了相关芯片的仿真模型及仿真软件，EDA供应商也提供了功能强大的电路设计仿真工具。HyperLynx正是一种针对整个系统电路设计的综合仿真分析工具，包含多个不同功能的仿真模块，能够出色地完成信号完整性、热分析、EMC等各项仿真任务，确保系统在设计阶段就能预测和消除可能存在的问题。
本文结合HyperLynx仿真软件，以雷达信号处理机为例，提出了一种数字电路设计的综合仿真方法，详细分析了HyperLynx中各仿真模块的功用、使用方法及仿真结果，为数字电路设计提供了借鉴。多次的工程实践表明，在电路设计过程中合理运用HyperLynx进行综合仿真能够极大提高电路设计的成功率。
1 HyperLynx综合仿真流程
1.1 HyperLynx仿真软件介绍
HyperLynx是MENTOR公司针对原理图仿真验证、信号完整性和电源完整性(PI)分析、热仿真分析等问题提供的综合仿真分析工具，包括Analog、LineSim、BoardSim和Thermal四个模块。在系统电路设计过程中综合运用各仿真模块，可以为设计提出综合性的指导和反馈建议，确保系统在设计阶段就能达到预期要求。
Analog模块为原理图验证提供了数模混合电路仿真的功能，可以对原理图中各点的静态特性、工作波形及频域特性进行仿真计算，还可以通过蒙特卡洛（Mente Carlo）分析或参数扫描（Parameter Sweep）分析，测试电路中元器件的参数在一定范围内的变化对输出波形的影响，为电路参数的优化提供参考。
LineSim和BoardSim主要针对SI分析和PI分析，分别用于系统电路设计的Pre-layout（布线前）和Post-layout（布线后）仿真阶段。在PI分析中，可以得到系统多电源区域的划分策略以及电源退耦和滤波电容的各种参数，为电源设计及噪声分析等复杂问题提供了指导。而进行SI分析时，通过LineSim和BoardSim的交互式使用，可以指导PCB叠层设计及实际的布局布线，分析信号的传输特性和串扰，保证系统电路高速的传输特性。此外，BoardSim还可进行多板仿真和接插件仿真，从系统整体角度考虑串扰强度、阻抗连续性、整个信号网络的完整性及EMC等问题。
热仿真模块Thermal则可直接将Layout文件导入到软件中，这样就解决了由于系统建模以及缺乏准确的输入参数和边界条件所导致的分析误差较大的问题[1]。同时，Thermal还可以识别超过限值的元件和板温度并给出整板的彩色温度梯度图，进而分析通过不同的散热设计对于系统散热性能的改善。
运用HyperLynx的各仿真模块可以对整个电路设计过程中出现的主要问题进行仿真分析。本文主要介绍运用LineSim、BoardSim和Thermal模块在数字电路设计中进行SI仿真、热仿真和EMC仿真的主要流程及仿真结果。
1.2 综合仿真流程
电子系统设计最重要的两个因素即系统的功能性和稳定性。数字电路系统不仅要有丰富的设计功能，更重要的是在不同的工作环境下要有稳定的工作状态，这对电路设计提出了严格的约束和极高的要求。首先，芯片的主频越来越高，PCB布线密度越来越大，使得信号完整性等高速数字仿真问题显得格外重要；其次，目前在数字电路系统的应用中，系统大多是封闭的并且安装紧密，热量的往复很大。以往设计中热仿真分析未引起足够的重视，导致系统在实际应用中不正常工作甚至崩溃，所以良好的导热、散热设计日渐成为影响系统设计的一个关键性的问题；第三，传统的在PCB设计完成后才能暴露出的系统EMC与电磁辐射（EMI）等问题，将导致整个系统需要进行重复性设计，因此，在电路设计阶段进行EMC与EMI分析成为提高系统设计效率的一个不容忽视的问题。
针对以上数字电路设计中常见的几个问题，图1给出了运用HyperLynx进行综合仿真的流程图。仿真过程一般分以下几个环节：

(1)原理图确定之后，根据系统设计需求及相关的器件资料确定仿真模型和仿真参数，在Pre-layout仿真中通过端接、时序、串扰等仿真确定电路布局布线规则、模块间的拓扑关系、信号端接策略等。
(2)在完成布局布线后，通过Post-layout仿真生成整板的信号完整性报告，对PCB进行局部修改，并对关键信号进行阻抗连续性、串扰等仿真。
(3)对系统整体建模（包括安装腔体），设置不同的工作环境条件，完成热仿真，指导系统的散热设计。
(4)结合应用背景对系统整体进行EMC仿真。
2 设计实例
2.1 系统架构及仿真需求
图2是一个由4片ADSP-TS201和XC5VSX35T（Xilinx-Virtex5系列FPGA）构成的并行信号处理系统的结构框图，用于某多功能雷达的实时信号处理。该系统采用共享总线的紧耦合架构，4个DSP通过高达4 Gb/s数据吞吐量的链路口实现了彼此的全互联，可灵活地支持共享总线与消息传递两类主要并行计算模型。同时，与外部其他板卡通过高速链路口及总线互联，拥有高速、实时的数据交换与灵活可靠的控制能力。该系统要求电路设计必须满足：

(1)系统主频能稳定运行于480 MHz（芯片最高主频500 MHz)，为了保证各处理器同步，4片DSP及FPGA的工作时钟必须同频同相。
(2)系统外频，即共享总线能稳定运行于80 MHz，从而使得每个DSP可通过共享总线以相同速度访问其他3个DSP及共享存储器(SDRAM和Flash)。
(3)系统主频480 MHz的条件下，链路口能以最高性能全速运行，即双向吞吐量960 MB/通道；
(4)热约束详见本文热仿真部分。
下面将通过该实例来介绍如何运用HyperLynx各仿真模块，以确保系统设计能够满足如上需求。表1给出了仿真中用到的仿真模型参数及部分约束条件，除特殊说明外，参数设置参照表1。

2.2 SI仿真
2.2.1 Pre-layout仿真
(1)根据设计需求，确定总线拓扑结构及PCB叠层。
目前，多片处理器互联常用的总线拓扑主要有菊花链和星型两种拓扑结构。在菊花链结构下，接收端DSP接收波形不仅传输延迟不同，而且靠近驱动端的DSP波形受到严重的反射影响。更重要的是，菊花链结构只适用于总线上仅有一个Master的情形，无法满足设计需求中DSP0-DSP3中任何一个都可为驱动方(即总线Master)的需求，因而本设计中选择星型结构的总线拓扑。在拓扑结构确定后，综合考虑布线约束、布线空间、制造工艺、PCB厚度等方面的因素，就可以初步确定层数、层厚、介质厚度与介电常数、叠层分配等，调整合适的特征阻抗和传输速率，从而确定PCB的叠层设计。
(2)通过端接策略和时序仿真，确定关键信号的端接方式和布线规则。
为了保证信号完整性，从理论上讲，星型拓扑结构的每个分支都应进行AC端接，然而每个分支进行端接的方案在实际中存在两个问题：(1)端接元件数目巨大，布局布线难以实现；(2)负载增加，在DSP驱动能力一定的情形下，信号上升时间过长而无法满足要求。因而实际设计中，应该结合器件的时序需求，合理安排端接，确保信号完整性满足需求。
图3是TS201驱动强度配置为-5级、所有分支无端接时总线信号接收端的仿真结果。图3中，Testload表示TS201数据手册中时序参数测试时的标准负载对应的接收波形，其他则为实际拓扑结构和传输特性下几个DSP和SDRAM的接收波形。由图3可见，与标准负载下的接收信号相比，实际负载条件下的接收信号波形虽然有严重过冲，但TS201引脚内部的钳位电路使之可兼容3.3 V信号，因而引起的过冲效应可以忽略，只要再分析信号的时序裕量即可。

DSP处理器总线操作时序裕量的典型定义为：

(3)通过串扰仿真，确定合理的布线间距等参数。
在DSP、FPGA芯片和星型拓扑布线通道等区域布线密度很大，不同信号线间容易产生串扰。特别是总线类型的信号线，为了保持等长，通常采用1簇平行线，必须对线间距以及平行线最大长度等进行必要的限制。以DSP相邻的两数据线为例，若设线间距5 mil(1 mil=0.025 4 mm)、线宽7 mil、耦合长度1.5英寸(1英寸=2.54 cm)，则干扰源端对接收端产生的串扰信号幅度最大为243 mV，超过了150 mV串扰阈值要求。根据高速数字信号传输的相关理论，可采取加大线间距、减小平行走线（即耦合长度）等措施减少串扰影响，相关参数调整后的串扰信号明显下降。
2.2.2 Post-layout仿真
根据Pre-layout仿真得到的布线约束，完成PCB的布局布线。由于布局布线的密度很大，尤其是在星型拓扑的中心位置和BGA内部，而且高速信号也多集中在此区域，因此借助BoardSim的整板交互式仿真工具，设置相应的参数如串扰阈值、时延最大误差、阻抗最大误差等，可以得到整板的端接、时序、串扰、阻抗等信号完整性报告。
2.3 系统热仿真
热通过传导、对流、辐射三种方式传递[5]，热仿真主要从这三个方面分别考虑，指导散热设计。根据设计要求，在Thermal中导入PCB文件，设置热仿真模型参数如表3所示。

通常条件下，处理器的散热可通过在其顶部加装散射片来解决。从图4可以看出，在系统非密闭的情况下，在DSP和FPGA上加装散热片(散热片的参数设置见文献[6])能够有效地降低系统温度。然而，许多应用中的多处理器系统往往处于密闭腔体中，热往复很大，依靠散热片扩大散热面积的方法难以得到很好的效果。为了改善密闭环境下的散热效果，通常可采用：(1)PCB平面层散热；(2)PCB敷裸铜并使之与金属腔体紧密相连，利用金属腔体散热；(3)专用的导热管等。这些措施的散热效果可通过在Thermal中设置适当的边界条件来进行仿真。在本系统的散热设计中，通过(1)和(2)两种措施来增强散热效果。根据实际结构设计，PCB三条边与金属壳体相连，从图5的仿真结果可知，系统散热得到了很好的解决，温度控制在所有芯片的正常工作范围内。系统的最高温度出现在FPGA处，为了进一步改善散热效果，可在FPGA顶部设计导热管与腔体相连。

2.4 PCB板EMC仿真
前面提到BoardSim的多板仿真可为EMC问题提供指导，在PCB以及系统设计时充分考虑叠层设置、屏蔽措施、接地设计等问题。通常，在数字系统中，时钟信号是最大的辐射源，以系统与其他系统板间互联的80 MHz时钟线为例，在BoardSim中自动检查该网络的辐射，在测试距离为3 m时，80 MHz时钟信号在各个频点辐射都没有超过FCC、CISPR-Class A&B[7]的辐射标准。
本文针对数字电路系统设计中存在的信号完整性、散热、EMC等问题，通过雷达信号处理机的设计实例，介绍了HyperLynx仿真工具中各个模块的特点、功用及使用方法，为系统的散热方案、总线拓扑结构及端接策略等提供了指导性的建议，预测并消除了大量可能存在的问题，为数字系统电路设计与仿真提供了重要参考。实践表明，综合运用HyperLynx仿真工具中的各个模块进行数字电路系统设计，可以使PCB设计过程更加完整、准确，并显著改善系统电路性能，提高设计的成功率。
参考文献
[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.电子设备热设计及分析技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，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] 张海风.HyperLynx仿真与PCB设计[M].北京：机械工业出版社，2006.
[9] Mentor Graphics Corp.HyperLynx thermal user manual(Rev.9.0.1)[Z].Mentor Graphics Corp，2008.