基于谐振腔理论的不规则电源地平面模式耦合理论的研究

In the over 1Gbps high-speed digital system, the impedance bandwidth of the power delivery network will exceed 5GHz and the difficulty and hot spot of the impedance simulation of the power distribution network is the research on the simulation accuracy and efficiency of the Spice-compatible model for complex-shaped power and ground planes. At present, the main Spice-compatible modeling method for complex-shaped power and ground planes is the segmentation modeling method based on discrete virtual ports, but this modeling method has low efficiency or poor accuracy. For above problems, this project focuses on: 1) Research on direct mode-coupled modeling method for single complex-shaped power and ground planes base on the cavity resonant theory; 2) Research on indirect mode-coupled modeling method for the gap field between mulple power and ground planes base on the cavity resonant theory; 3) Research on the modeling method for complex-shaped power and ground planes with decoupling capacitors by combining the direct mode-coupled modeling method for single complex-shaped power and ground planes with the model for rectangle power and ground planes with decoupling capacitors and analyzing the influence of the capacitance, position and quantity of the capacitors on the decoupling effect. In theory, the research results of the project can overcome the fault of the old modeling method and improve effectively the simulation efficiency and accuracy of the power delivery network. So the above researches have important theoretical significance and application value in the project.

在超过1GHz的高速数字系统中，电源分配网络的阻抗设计带宽将超过5GHz，其分析的难点和热点是Spice兼容的复杂形状电源地平面对精确高效建模方法的研究。目前Spice兼容的复杂形状电源地平面对的主要建模方法是基于离散化虚拟端口的分割算法，但其效率较低或精度较差。针对该问题，本项目将重点研究：1）基于谐振腔理论的单一复杂形状电源地平面对的模式直接耦合建模方法。2）基于谐振腔理论的多个电源地平面对间的带隙场模式间接耦合建模方法。3）在复杂形状电源地平面对模式直接建模方法的基础上，结合带去耦电容的矩形电源地平面对的建模理论，研究带去耦电容的复杂形状电源地平面对的建模方法，并分析去耦电容容值、位置以及数量对去耦效果的影响。在理论上，本项目的研究成果能够克服原有方法的缺点，能够有效地提高复杂形状电源地平面对仿真分析的效率和精度，具有重要的理论意义和应用价值。

在超过1GHz的高速数字系统中，电源分配网络的阻抗设计带宽将超过5GHz，其分析的难点和热点是Spice兼容的复杂形状电源地平面对精确高效建模方法的研究。目前Spice兼容的复杂形状电源地平面对的主要建模方法是基于离散化虚拟端口的分割算法，但其效率较低或精度较差。在本项目的支持下完成的研究内容如下：1）基于谐振腔理论提出了一维非均匀传输线的模式和系数计算方法，并创建其 Spice兼容的电路模型。对于单一复杂形状电源地平面对，通过简单平面的级联获得复杂电源地平面的阻抗矩阵表达式，从中求解出复杂电源地平面的模式和系数，获得复杂电源地平面的整体建模，从而大大提高了复杂电源地平面对的建模效率和精度。2）对于多个电源地平面对模式间的间接耦合，提出了一种相同尺寸电源地平面间模式的间接耦合方法，大大提高了平面对间耦合仿真的效率。3）针对电源地平面对构成的电源分配系统的去耦设计，提出了一种新的快速有效设计方法，该方法可以给出电源分配网络中去耦电容容值、位置以及数量的最优设计方案，比目前商用软件使用的电容数量更少、效率更高、方案更优；在此基础上分析了不同设计情况下对信号抖动的影响，提出了串行链路中在电源噪声影响下眼图的快速评估方法。本项目的研究成果大大提高了复杂电源分配网络在建模、仿真分析与设计方面的效率和精度，具有重要的理论意义和应用价值。在该项目的资助下，所取得的科研成果如下，公开发表论文7篇，其中SCI检索论文5篇（IEEE Transaction 论文2篇），国际会议论文2篇，授权发明专利3项。