多路受控电压源的直流压降仿真方法

摘要

本发明提供了一种多路受控电压源的直流压降仿真方法。使用多个理想电流源代替多路受控电压源的多个电源模块，使用不带内阻的理想电压源代替负载芯片，由此进行电源完整性仿真，以得到负载芯片到各电源模块供电路径的直流压降。将供电路径直流压降、电源模块内阻压降与相应负载芯片位置的固定电压相加，以得出该电源模块的输出电压值。使用单个理想电流源代替负载芯片，按照多路受控电压源的各路电源模块所分担的输出电流的总和来设置所述单个理想电流源的总输出电流值，并且使用多个带内阻的理想电压源代替多路受控电压源的多个电源模块，由此进行电源完整性仿真，以得到负载芯片到各电源模块的直流压降，从而得到各电源模块的输出电流。

权利要求

1.一种多路受控电压源的直流压降仿真方法，其特征在于包括：

第一步骤：使用多个理想电流源代替多路受控电压源的多个电源模块，设置各个电源模块所分担的用于负载芯片的驱动电流作为该电源模块的输出电流，并且其中按照相应的电源模块所分担的输出电流来设置多个理想电流源各自的输出电流值，并且使用不带内阻的理想电压源代替负载芯片，由此进行电源完整性仿真，以得到负载芯片到各电源模块供电路径的直流压降；

第二步骤：针对多路受控电压源的多个电源模块中的每一个电源模块，将在第一步骤得到的供电路径直流压降，与电源模块内阻压降，以及相应负载芯片位置的固定电压相加，以得出该电源模块的输出电压值；由此，通过第二步骤，可以得到多路受控电压源的多个电源模块中的每一个电源模块的输出电压值；

第三步骤：使用单个理想电流源代替负载芯片，其中按照多路受控电压源的各路电源模块所分担的输出电流的总和来设置所述单个理想电流源的总输出电流值，并且使用多个带内阻的理想电压源代替多路受控电压源的多个电源模块，每一个电源模块的输出电压代入第二步骤所得对应的输出电压值，由此进行电源完整性仿真，以得到负载芯片到各电源模块的直流压降，从而得到各电源模块的输出电流。

2.根据权利要求1所述的多路受控电压源的直流压降仿真方法，其特征在于，在电源完整性仿真中，对包含多路电源模块和单个负载芯片的印制板实际版图提取供电路径的多端口模型，包含所有复用的供电路径的信息。

3.根据权利要求1或2所述的多路受控电压源的直流压降仿真方法，其特征在于，电源模块内阻压降是电源模块输出电流乘以电源模块输出内阻得到的电压值。

4.根据权利要求1或2所述的多路受控电压源的直流压降仿真方法，其特征在于，供电路径的直流压降指的是通过该电流路径的各个部分的电流乘以相应路径部分的阻抗得到的电压值之和。

5.根据权利要求4所述的多路受控电压源的直流压降仿真方法，其特征在于，对于单路供电，将电流路径的电流乘以该路径的阻抗得到的电压值，作为供电路径的直流压降。

6.根据权利要求4所述的多路受控电压源的直流压降仿真方法，其特征在于，对于存在供电路径复用的多路供电，针对供电路径的各个部分来分别计算各个部分的压降，此后通过将各个部分的压降进行求和来算供电路径的直流压降。

7.根据权利要求1或2所述的多路受控电压源的直流压降仿真方法，其特征在于，相应负载芯片位置是与电源模块相连的负载芯片引脚阵列，负载芯片位置的固定电压是负载芯片理想用电的标称值或设计值。

8.根据权利要求1或2所述的多路受控电压源的直流压降仿真方法，其特征在于还包括：比较第三步骤得到的各电源模块的输出电流与第一步骤所设置的各个电源模块的输出电流。

9.根据权利要求1或2所述的多路受控电压源的直流压降仿真方法，其特征在于，在第一步骤中，如果所有电源模块完全相同，则各个电源模块所分担的用于负载芯片的驱动电流被设置成相等大小。

10.根据权利要求1或2所述的多路受控电压源的直流压降仿真方法，其特征在于，理想电流源是输入电流恒定的电源，理想电压源是输出电压恒定的电源。

说明书

多路受控电压源的直流压降仿真方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种多路受控电压源的直流压降仿真方法。

背景技术

[0002] 随着高性能处理器芯片功耗的持续显著增加，高功耗的芯片往往采用多路多相受控电源的供电模式。这里指的多路受控电压源具有如下含义：1）电源模块的路数选择主要基于两个方面考虑，多路电源模块用来保证可靠供电的能力，多路电源分散布局可有效降低电流密度（但导致各电源模块供电路径阻抗差异），防止因电流密度过高导致的路径损耗、局部发热以及压降过大等问题；2）受控电源重点包括两项内容，首先是负载芯片位置电源电压衡定，以确保处理器芯片稳定可靠运行；其次是各路电源模块电流分配均衡，防止电流分配不均衡导致的电源模块损毁或者局部电流密度过高；电源可控是通过电源反馈机制（将处理器位置的电压和电流反馈到电源模块控制芯片，调整各路电源模块的输出电压和输出电流），以及印制板版图设计供电路径均衡来实现的。

[0003] 电源完整性仿真技术是供电系统设计与验证的重要步骤，与测量技术相比，电源仿真胜在以下几个方面：1）在设计阶段就可以进行仿真发现潜在的电源问题，而测量技术只能在所设计的系统完成生产、安装、运行，在调试测试阶段才能使用；2）可以对多种情况进行灵活简便的模拟，得到电源供电路径上任何位置的电压和电流参数，而测量技术只能观测少量的观测点位置的电压参数，因而无法验证上面提到过的电流均衡问题；3）电源质量的两个重要指标，直流压降和纹波噪声都可以通过软件仿真手段进行模拟验证。

[0004] 因此，模拟与评估多路电源模块供电的直流压降，这对系统供电的设计与验证是十分重要的，可以估算供电路径损耗、控制电流平衡以及为纹波噪声的模拟提供参数基础（即芯片各种功耗条件下，电源模块和负载芯片位置的电压与电流变化）等等。

[0005] 传统电源完整性仿真方法，使用理想电流源代替高功耗的负载芯片，使用带内阻的电压源代替电源模块。此时，在各路模块路径阻抗存在明显差异且与电源模块内阻相比无法忽略的情况下，很难确定各路电源模块的输出电压值的，或者说是很难给出电流均衡的解决方案的（不合理的输出电压设置，可能导致个电源模块的输出电流差异很大）。

[0006] 具体地说，针对各路电源模块的输出电压值设置，常规解决方案存在如下问题：1）通过某个电源模块距离负载芯片的距离、供电路径铜箔厚度等参数估算该电源模块供电路径阻抗，与该模块需要分担的输出电流相乘计算出路径压降，与负载芯片位置的固定电压相加得出该电源模块的输出电压值。该方法忽略了很多重要细节，例如钻孔作为供电路径一部分带来的压降、其它线网钻孔割裂供电路径导致影响阻抗、相邻电源模块共用部分供电路径等等，因而精度不足。2）通过某个电源模块到负载芯片进行传统电源完整性仿真，电源模块输出电压任意、电流源按照该模块需要分担的输出电流设置，得出的路径压降与负载芯片位置的固定电压相加得出该电源模块的输出电压值。该方法考虑了一些细节，例如钻孔作为供电路径一部分带来的压降、其它线网钻孔割裂供电路径导致影响阻抗，但仍然无法解决相邻电源模块共用部分供电路径导致该共用区域压降实际会变大带来的影响。除了精度问题外，该方法引入了多次仿真（仿真次数等于电源模块路数），带来设计效率问题。3）在确保负载芯片电流稳定的情况下，通过实际测量可以得出各电源模块位置的输出电压，将该电压值代入供电系统做电源完整性仿真无疑是最准确的。但是前面提到过，测量技术手段只能在系统设计已完成，且生产安装完毕进入测试、调试等应用阶段才能使用，此时只能进行设计验证目的的后仿真工作，无法对前仿真（设计初期阶段）提供有效支持。此外，若电源模块配置错误将影响实际测量值，也就是说得到虚假的电源输出电压值。

发明内容

[0007] 本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种多路受控电压源的直流压降仿真方法，以解决各个模块输出电流均衡的输出电压设置问题，提高仿真的准确性、便捷性，为后续仿真提供参数配置基础。

[0008] 根据本发明，提供了一种多路受控电压源的直流压降仿真方法，其包括：第一步骤：使用多个理想电流源代替多路受控电压源的多个电源模块，设置各个电源模块所分担的用于负载芯片的驱动电流作为该电源模块的输出电流，并且其中按照相应的电源模块所分担的输出电流来设置多个理想电流源各自的输出电流值，并且使用不带内阻的理想电压源代替负载芯片，由此进行电源完整性仿真，以得到负载芯片到各电源模块供电路径的直流压降；第二步骤：针对多路受控电压源的多个电源模块中的每一个电源模块，将在第一步骤得到的供电路径直流压降，与电源模块内阻压降，以及相应负载芯片位置的固定电压相加，以得出该电源模块的输出电压值；由此，通过第二步骤，可以得到多路受控电压源的多个电源模块中的每一个电源模块的输出电压值；第三步骤：使用单个理想电流源代替负载芯片，其中按照多路受控电压源的各路电源模块所分担的输出电流的总和来设置所述单个理想电流源的总输出电流值，并且使用多个带内阻的理想电压源代替多路受控电压源的多个电源模块，每一个电源模块的输出电压代入第二步骤所得对应的输出电压值，由此进行电源完整性仿真，以得到负载芯片到各电源模块的直流压降，从而得到各电源模块的输出电流。

[0009] 优选地，在电源完整性仿真中，对包含多路电源模块和单个负载芯片的印制板实际版图提取供电路径的多端口模型，包含所有复用的供电路径的信息。

[0010] 优选地，电源模块内阻压降是电源模块输出电流乘以电源模块输出内阻得到的电压值。

[0011] 优选地，供电路径的直流压降指的是通过该电流路径的各个部分的电流乘以相应路径部分的阻抗得到的电压值之和。

[0012] 优选地，对于单路供电，将电流路径的电流乘以该路径的阻抗得到的电压值，作为供电路径的直流压降。

[0013] 优选地，对于存在供电路径复用的多路供电，针对供电路径的各个部分来分别计算各个部分的压降，此后通过将各个部分的压降进行求和来算供电路径的直流压降。

[0014] 优选地，相应负载芯片位置是与电源模块相连的负载芯片引脚阵列，负载芯片位置的固定电压是负载芯片理想用电的标称值或设计值。

[0015] 优选地，所述多路受控电压源的直流压降仿真方法还包括：比较第三步骤得到的各电源模块的输出电流与第一步骤所设置的各个电源模块的输出电流。

[0016] 优选地，在第一步骤中，如果所有电源模块完全相同，则各个电源模块所分担的用于负载芯片的驱动电流被设置成相等大小。

[0017] 优选地，理想电流源是输入电流恒定的电源，理想电压源是输出电压恒定的电源。

[0018] 在本发明中，将分别作为负载和激励的电流源、电压源互换后进行仿真，以获得多模块电源的输出电压差值，从而解决各模块输出电流的均衡问题。此外，本发明采用的方法使得电源模块获得的电流不均衡状态等特殊应用也是可以控制的。例如，某些供电路径较差的模块就是要小电流、某些供电路径较好的模块就是要大电流，可以有效降低供电路径上的能量损耗，而本发明的仿真方法可以得出这种可控不均衡状态的电压参数。而且，在负载非常重、供电负载差异的情况下，多路电源模块输出电压必须有压差，为此，可根据本发明的仿真结果调整各路电源模块的输出电压，从而达到各路电源模块的电流输出均衡或者可控不均衡的效果。据上所述，本发明所提供的仿真方法对于系统测试阶段验证电源模块设计与配置同样存在重要意义。

附图说明

[0019] 结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：

[0020] 图1示意性地示出了根据本发明实施例的多路受控电压源的直流压降仿真方法的流程图。

[0021] 图2示意性地示出了根据本发明实施例的多路受控电压源的直流压降仿真方法的一个具体示例。

[0022] 图3示意性地示出了根据本发明实施例的多路受控电压源的直流压降仿真方法的一个具体示例的仿真结果（步骤S1）。

[0023] 图4示意性地示出了根据本发明实施例的多路受控电压源的直流压降仿真方法的一个具体示例的仿真结果（步骤S3）。

[0024] 需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。

具体实施方式

[0025] 为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。

[0026] 图1示意性地示出了根据本发明实施例的多路受控电压源的直流压降仿真方法的流程图。

[0027] 如图1所示，根据本发明实施例的多路受控电压源的直流压降仿真方法包括：

[0028] 第一步骤S1：使用多个理想电流源（其中，理想电流源指的是输入电流恒定的电源）代替多路受控电压源的多个电源模块，设置各个电源模块所分担的用于负载芯片的驱动电流作为该电源模块的输出电流，并且其中按照相应的电源模块所分担的输出电流来设置多个理想电流源各自的输出电流值，并且使用不带内阻的理想电压源（理想电压源是输出电压恒定的电源）代替负载芯片，由此进行电源完整性仿真，以得到负载芯片到各电源模块的供电路径的直流压降；优选地，在第一步骤中，各个电源模块所分担的用于负载芯片的驱动电流保被设置成相等大小，以获取均衡的电源供电。

[0029] 第二步骤S2：针对多路受控电压源的多个电源模块中的每一个电源模块，将在第一步骤S1得到的供电路径的直流压降，与电源模块内阻压降，以及相应负载芯片位置（例如，相应负载芯片位置是与电源模块相连的负载芯片引脚阵列，负载芯片位置的固定电压是负载芯片理想用电的标称值或设计值）的固定电压相加，以得出该电源模块的输出电压值；由此，通过第二步骤S2，可以得到多路受控电压源的多个电源模块中的每一个电源模块的输出电压值；

[0030] 第三步骤S3：使用单个理想电流源代替负载芯片，其中按照多路受控电压源的各路电源模块所分担的输出电流的总和来设置所述单个理想电流源的总输出电流值，并且使用多个带内阻（电源内阻根据所选电源模块来定，内阻的大小通常可配置选择，例如0Ω至0.5Ω可选）的理想电压源（理想电压源是输出电压恒定的电源）代替多路受控电压源的多个电源模块，每一个电源模块的输出电压代入第二步骤S2所得对应的输出电压值，由此进行电源完整性仿真，以得到负载芯片到各电源模块的直流压降，从而得到各电源模块的输出电流，由此可以验证电流均衡，即确认正确实现了多路受控电压源的电源完整性仿真系统设置。

[0031] 例如，此后还可以：比较第三步骤S3得到的各电源模块的输出电流与第一步骤S1所设置的各个电源模块的输出电流，以进一步验证。

[0032] 在第一步骤中，各个电源模块所分担的用于负载芯片的驱动电流被设置成该电源模块能够稳定、可靠、有效负载的电流值，若所有电源模块完全相同，该值最好设置成相等大小。

[0033] 例如，在电源完整性仿真中，对包含多路电源模块和单个负载芯片的印制板实际版图提取供电路径的多端口模型，包含所有可能复用的供电路径的信息。

[0034] 其中，供电路径直流压降是通过该路径的电流乘以该路径的阻抗得到的电压值；更确切地说，供电路径的直流压降指的是通过该电流路径的各个部分的电流乘以相应路径部分的阻抗得到的电压值之和。

[0035] 具体地说，对于单路供电的情况，可以通过该电流路径的电流乘以该路径的阻抗得到的电压值，直接得到供电路径的直流压降；对于多路供电（存在供电路径复用）的情况，可能某段路径流经多路电源模块的电流；因此，需要针对供电路径的各个部分来分别计算各个部分的压降，此后通过将各个部分的压降进行求和来算供电路径的直流压降。

[0036] 电源模块内阻压降是电源模块输出电流乘以电源模块输出内阻得到的电压值。

[0037] 进一步地，发明人有利地发现，进行上述仿真步骤的原理在于：

[0038] 1）由于电压和电流反馈机制的存在，所以在负载芯片位置电压恒定（也就是没有电流跳变）的情况下，电源模块的输出电流是相对稳定。就其表现而言，负载芯片更像理想电压源，而电源模块更像理想电流源，尤其针对较大变化电流的应用。

[0039] 2）此外，无论负载芯片输出电流（一对多）还是馈入电流（多对一），对应各路电源模块是输入电流还是输出电流（仅仅电流方向相反），鉴于电流总是选择阻抗最小的路径通过的特性，电流在供电路径选择上的表现基本一致，因此固定供电路径上流经电流一致的情况下，供电路径上产生的压降应当是一致的。

[0040] 下面将参考附图来描述本发明实施例的具体示例。

[0041] 图2示意性地示出了根据本发明实施例的多路受控电压源的直流压降仿真方法的一个具体示例。

[0042] 如图2所示，通过下述步骤模拟真实的供电情况：

[0043] 1）负载芯片C1设置为0.9V的理想电压源，电源模块PM1、PM2、PM3、PM4、PM5、PM6、PM7、PM8、PM9、PM10、PM11以及PM12完全相同（且内阻都配置为0Ω，仿真中按照5E-6Ω替代），设置为12路×(20A/路)的理想电流源；

[0044] 2）在这种反向设置的基础上，对印制板实际版图进行模型提取得到供电路径（即，各电流路径），由此得到各供电路径的电阻值及相应的电流值及电流方向，从而可以获得各电源模块到负载位置的各自的路径压降ΔVi（其中，i=1，2，3，4，……，12）（各个电源模块的路径压降ΔVi的大小显然可能不相等），与此同时，例如优选地保证电源模块的电流均衡、负载位置的电压恒定；其中，对于单路供电，可将电流路径的电流乘以该路径的阻抗得到的电压值，作为供电路径的直流压降；而对于存在供电路径复用的多路供电，可针对供电路径的各个部分来分别计算各个部分的压降（对版图进行的电源完整性仿真会得到各点的电压值、电流值以及电流流向等），此后通过将各个部分的压降进行求和来算供电路径的直流压降；

[0045] 3）然后进行传统的正向仿真，负载芯片C1设置为总电流输出为240A的理想电流源，将各个电源模块设置为0.9V+ΔVi（其中，I=1，2，3，4，……，12）的理想电压源；（该具体例子中，各个电源模块的ΔVi的电压大小参见表1的第二行数据；此外，因为电源模块内阻值都配置为0Ω，所以各电源模块内阻压降全部等于0V）。

[0046] 4）此时，仿真结果最接近电流均衡、电压恒定的实际情况（正向仿真后的结果，最接近电流均衡（20A/模块），电压恒定（负载芯片位置0.9V））。

[0047] 下面给出针对每个具体仿真过程得到的上述步骤各阶段的仿真结果：

[0048] 1）反向供电仿真

[0049] 将负载芯片C1设置为0.9V的理想电压源，将电源模块设置为240A或60A电流源（20A/路或5A/路），模拟各电源模块到负载芯片的路径压降。反向设置后仿真电源模块位置的电压降，得到的结果如图3所示。

[0050] 根据各电源模块到负载芯片的路径压降，抬高正向供电仿真中各电源模块的输出电压值，具体请参考下表。

[0051] 表1各路电源模块到负载位置路径的DC压降（粗略值）

[0052]M12 M11 M10 M9 M8 M7 M6 M5 M4 M3 M2 M1
0.87 0.87 0.87 0.87 0.82 0.81 0.84 0.82 0.84 0.82 0.85 0.83[0053]
0.03 0.03 0.03 0.03 0.08 0.09 0.06 0.08 0.06 0.08 0.05 0.07
0.93 0.93 0.93 0.93 0.98 0.99 0.96 0.98 0.96 0.98 0.95 0.97[0054] 表1中，第一行数据为反向仿真后各电源模块位置电压测试值，第二行数据为反向仿真后各电源模块到负载芯片的路径压降ΔVi，第三行数据为计划在正向供电仿真中对各电源模块输出电压的设置值。

[0055] 2）正向供电仿真（第三步骤的仿真）

[0056] 正向供电仿真结果如图4所示。通过观测电压源位置的仿真数据可知，各电源模块的供电电流基本均衡（均为20A左右，且与第一步骤的设置基本一致）。

[0057] 综上所述，在本发明实施例中，将分别作为负载和激励的电流源、电压源互换后进行仿真，以获得多模块电源的输出电压差值，从而解决各模块输出电流的均衡问题。此外，本发明实施例采用的方法使得电源模块获得电流不均衡状态等特殊应用也是可以控制的。例如，某些供电路径较差的模块就是要小电流、某些供电路径较好的模块就是要大电流，可以有效降低供电路径上的能量损耗，而本发明的仿真方法可以得出这种可控不均衡状态的电压参数。

[0058] 而且，在负载非常重、供电负载差异的情况下，多路电源模块输出电压必须有压差，为此，可根据本发明实施例的仿真结果调整各路电源模块的输出电压，从而达到各路电源模块的电流输出均衡或者可控不均衡的效果。

[0059] 此外，需要说明的是，说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。

[0060] 可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。