Power Analyzer快速入门指南

现代数字设计采用高速电路、高密度元件布局以及多路低压电源轨，因此，设计中的直流供电网络 需要采用分析方法进行设计。供电网络的直流分析，即直流电源完整性 (PI-DC) 分析，旨在确保从电压源到负载的路径上有足够的铜——换言之，电路板上的平面、走线和过孔具有足够的尺寸（及相应特性），以满足板上器件的功耗要求。

幸运的是，借助直流电源完整性 (PI-DC) 仿真工具，可以根据电路板设计的电气和物理属性分析其直流性能，从而在评估 PCB 供电网络时 消除猜测。Altium Designer 提供了这样的工具，即 Power Analyzer by Keysight。

Power Analyzer 以可下载的 Altium 扩展形式提供，可直接集成到 Altium Designer 中，对当前 PCB 工程进行 PI-DC 仿真和分析。由于 Power Analyzer 在 Altium Designer 内运行，因此无需手动导入/导出数据、转换数据或运行独立应用程序——只需从原理图或 PCB 编辑器启动 Power Analyzer，设置所需的测试参数，然后运行仿真即可。结果主要通过电路板铜布局的 2D/3D 模型呈现，便于快速评估结果，并对 PCB 布局设计进行探索性的“假设”测试。

访问 Power Analyzer by Keysight 功能

要在 Altium Designer 中访问 Power Analyzer by Keysight 功能，必须安装 Power Analyzer by Keysight 软件 扩展 。此扩展可以手动安装或移除。

有关管理扩展的更多信息，请参阅 Extending Your Installation 页面（Altium Designer Develop、Altium Designer Agile、Altium Designer）。

安装 Power Analyzer by Keysight 软件 扩展后，您可以：

但是，要执行 新的电源分析，您需要持有有效的 Power Analyzer by Keysight 订阅。否则，尝试启动电源分析时将打开 Analyze Your Power Nets 对话框，您可以在其中申请免费试用（）。

启动 Power Analyzer

要开始使用 Power Analyzer，请打开工程的 PCB 文档或其中一张原理图，然后从主菜单中选择 Tools » Power Analyzer by Keysight。

Power Analyzer Keysight 文档（<ProjectName>.pdnaK) 将打开 并添加到该工程的 Source Documents 区域 （位于 Projects 面板中），如下所示。

准备分析

Power Analyzer 需要了解电路板的物理属性，包括 表层/内层的最大电流密度、最小和最大过孔直径、铜的类型、工作温度 等。这些属性在分析器文档的 Configuration 区域中定义。

配置选项

• 所有网络的最大电流密度和最大过孔电流值均相同，因为这些值取决于铜的几何结构。

• Max Current Density for Surface / Internal Layers 设置指定 PCB 相应层的允许值。

• 过孔的最大电流是针对项目中使用的最小和最大孔径指定的。孔径值在 Min Via Diameter 和 Max Via Diameter 字段中定义，同时还需定义该孔径允许的 Max Current。

• 在仿真过程中，软件会将 PCB 布局划分为网格。默认使用动态网格尺寸。启用 Simulation Mesh Size 复选框后，您可以定义所需的网格尺寸。

• 默认设置会将接地网络排除在热力图结果之外。要包含接地网络，请取消选中 Skip Ground 复选框，然后在 Power Analysis by Keysight 面板顶部的 Network / Net 下拉列表中选择 GND 网络，以查看热力图结果。请注意，热力图支持信号层上的多边形覆铜结构，但无法仿真电源平面层的行为。

• Copper Type 字段指定所用铜的类型，以及相关参数和温度参数。 

• Work Temperature 用于确定导体的电阻率，而 Temperature Compensation 是材料本身与导热性能相关的指标。不同材料具有不同的导热系数，因此在不同负载下，材料的发热情况也会有所不同。这种发热会影响材料的内部电阻，进而影响电压降。

• Global PCB Parameters 区域中显示的 Via Plating Thickness 在层叠管理器的 Properties 面板中定义 — 了解更多。

请根据需要修改这些默认值，以适应您的设计。

除了最大电流密度和最大过孔电流外，还必须为每个已定义的电源网络指定允许的电压降。请为每个网络配置 DC Drop Limit，可以选择预定义的百分比，也可以输入 Custom 值。

添加用于仿真的电源网络

要添加用于仿真的电源网络，请点击左上角的  按钮，打开 Manage Nets 对话框。选中所需 Power Net Name 的复选框，并配置相应的 Reference Net。如果某个网络在原理图设计中没有电源端口对象，则不会显示在 Power Net Name 列表中。点击 Show Custom Nets 可包含设计中的所有网络。如有需要，可以启用多个电源网络。 电源网络配置完成后，系统会自动解析各电源网络之间的层次关系。

每个电源网络都需要一个电源，接下来将对其进行配置。

您也可以点击  按钮，让软件为您创建电源网络。软件会根据分析器文档（*.pdnaK）中 Configuration 部分的 Auto-Define Settings 区域内的当前设置，尝试自动识别项目拓扑，从而创建电源网络。

添加电源

要添加电源，请在所需电源电路的 Sources 部分中，点击 +（或相关的 管理 控件）。如果电路包含多个电源，请点击 管理 并选择其余元件。

扩展网络

电路板上的电源网络可能经过保险丝或电阻等无源元件，而这些元件的另一侧属于不同的网络。遇到这种情况，建议通过将中间元件及其另一侧的网络纳入主网络来 extend the net。Extend Nets 功能正是用于此目的。

要扩展网络，请单击其名称旁的 +扩展网络 图标 以打开 <PowerNet> Extensions Manager 对话框。单击 + 以扩展目标网络。 Power Analyzer 仅显示可通过单个扩展元件连接的网络。在您对网络执行 Add 操作后，相关元件将自动添加到 <PowerNet> Extensions Manager 对话框中，您可以根据需要更改该元件。

电源网络可以通过串联元件进行扩展。

随后，您可以单击 + 符号继续扩展网络，如下图所示。完成后，在 <PowerNet> Extensions Manager 对话框中单击“保存”。

继续添加串联元件和网络。

扩展网络的注意事项

• 对于每个串联元件，您都可以设置其压降、电阻和最大允许电流，分析时会将这些参数考虑在内（显示图像）。

• 如果定义了 错误的 网络，可以将鼠标悬停在其名称上，然后单击出现的删除图标将其删除。

• 扩展网络保存后，连接到扩展网络的元件将出现在负载列表中，您便可以添加这些元件。

• 在电源网络名称旁，您可以看到已添加的扩展数量；将鼠标指针悬停在该数字上，即可显示扩展网络的名称（如上图所示）。

• PABK 扩展 V1.0.6 增加了对扩展网络中并联元件的仿真支持，PABK 扩展 V1.0.9 则增加了相应的用户界面支持。要定义并联元件，请在弹出的 Extensions Manager 对话框中选择 网络，然后启用所有并联元件，如下图所示。将鼠标悬停在图像上，即可查看完成网络扩展后的对话框。

  选择网络中的所有并联元件。

指定负载

要添加负载元件，请单击 Loads 部分中的 + （或关联的 管理 控件），然后选择所需元件。当元件连接到主网络或扩展网络时，它就会列在对话框中。

添加元件后，您可以直接在其元件卡片中指定功耗，也可以单击  按钮打开 <NetName>/<LoadName> Load Properties 对话框进行设置。

配置负载的注意事项

• 定义 负载属性，包括 Load Type、 Total Load Current，以及 Min 和 Max Voltage。
• 确认供电网络 IN 以及 Reference 和 Connected to reference through 选项均已正确配置。
• 负载电流会自动平均分配到所有已识别的电源引脚；如有需要，可修改这些值。
• 配置 IC (Current) 类型的负载时，您可以看到负载元件中通过不同串联元件连接到电源的所有引脚，并可选择所需引脚。

指定 VRM

要定义电压调节模块 (VRM) 元件，请先将其添加为负载。然后打开元件的 Load Properties 对话框（单击  按钮）进行配置。

将负载配置为 VRM 后，它也会作为电源，出现在指定为其 OUT 网络的电源网络中。

配置 VRM 的注意事项

• 将 Load Type 指定为所需类型的 VRM。
• 在 Vout 字段中指定输出电压，并设置其他稳压器属性。
• 在对话框的 Nets Management 区域中配置 IN 和 OUT 网络。
• 如果 VRM 未直接连接到参考网络 或使用不同的参考，请根据需要配置 Reference 和 Connected to reference through 选项。
• 系统会在层次结构中自动创建一个以该 VRM 为电源的子电源网络 （如上图所示）。
• 如果 VRM 有多个输出网络，请使用 Load Properties 对话框中的 +添加输出网络 链接添加所有必要的网络，并在出现的相应字段中指定其 输出电流。

已配置的电源网络

每个已配置的电源网络在 *.pdnaK 文档中均显示为一个独立的可折叠定义。下图显示了已配置的 PWR_IN 网络及其两个子电源网络 3V3 和 1V8，这两个子网络略微缩进，以表明其子网络身份。

了解电源网络定义

• 每个电源网络均显示为一个独立的可折叠 Power Net Definition。
• 电源网络定义的标题栏包含：
  • 电源网络名称 
  • 参考网络 
  • 如果网络已扩展，则会显示一个指示器，表示附加网络的数量 ()。将鼠标悬停在其上可显示子网络的名称。
  • 一个  按钮，单击可在整个电源网络层次结构中显示此网络内元件的连接结构。
  • 一个  按钮，单击可将此网络及其所有子网络从分析过程中删除。
  • 一个  按钮，单击可分析此网络及其所有子网络。
• 网络中的每个元件均以一个 元件卡片 表示。
• 网络分析完成后，该网络的 Voltage Drop、Current Density 和 Max Via Current 结果将显示在电源网络定义中，如上图所示。
  • 每个仪表都显示仿真值相对于其指定限值的情况。如果该值完全处于限值范围内，刻度线为绿色； 如果接近限值，刻度线为黄色；如果超出限值，刻度线则为红色。 
  • 单击  按钮可将视图切换到 PCB 编辑器，显示 PCB 上属于此网络的铜。在 PCB 编辑器中，使用 Power Analyzer by Keysight 面板控制分析过程。
  • 单击  按钮可生成并打开有关该电源网络的详细报告。在报告中，使用  按钮以保存 HTML 副本。

电源网络的树状视图

点击对应的  按钮，以树状结构查看已配置的电源网络（以及通过 VRM 定义的所有子网络）。视图将显示完整结构，并相应高亮显示指定的电源网络及其关联元件。

运行分析

完成配置后，您可以点击特定网络对应的  按钮，对其运行分析。分析结果摘要将显示在电源网络定义中，如下图所示。要在 PCB 中查看结果，请点击对应的  按钮。

要一次性分析所有已配置的网络，请点击  按钮（位于分析器文档的右上角）。如果选择分析树状结构中的顶层电源网络，则还会分析所有子网络（通过 VRM 元件创建）。如果所有网络均已完成分析，您可以使用 Power Analyzer by Keysight 面板顶部的 Network/Net 下拉列表选择当前高亮显示的网络。 

层管理

您可以像处理 PCB 时一样，通过 PCB 编辑器窗口底部的层选项卡切换仿真层。您还可以使用 Shift+S 快捷键聚焦当前层；使用此快捷键可循环切换单层模式的可见性选项。

使用 PCB 层选项卡可快速切换分析结果的显示。此处显示的是顶层的结果。将光标悬停在图像上可查看底层的结果。

Power Analyzer by Keysight 面板

在 PCB 编辑器中，分析过程和结果通过 Power Analyzer by Keysight 面板进行控制。请注意，执行电源分析并点击  按钮后，该面板才会添加到可用面板列表中（通过 Panels 按钮访问）。  

网络系统 / 网络

• Network / Net - 用于选择要在图形工作区中以热图形式显示的网络系统（）或网络（）。
• Only nets with violations - 启用此选项时（默认状态），下拉列表中仅显示当前存在违规的网络。取消勾选此选项可列出所有电源网络。 
• 使用 PCB 编辑器中的标准操作方法在工作区中平移和缩放，以检查仿真结果。

在 Network / Net 选择器下方，面板包含两个选项卡：General 和 Heatmap。这些选项卡中的选项适用于 Network / Net 下拉列表中当前选中的网络。

选择要显示的网络，然后为该网络配置常规或热图选项。

热图

Power Analyzer by Keysight 面板上的 Heatmap 选项卡用于控制以热图形式呈现的数据（电流密度或电压降），以及如何为电流密度或电压降应用颜色。

使用 Power Analyzer by Keysight 面板的 Heatmap 选项卡可更改 PCB 上显示的仿真结果。此处显示的是电流密度结果。将光标悬停在图像上可查看电压降结果。

各模式的选项如下所述。

电流密度热图

• 整个网络会着色，以反映网络沿途各位置的电流密度；电流密度越高，颜色越暖（越红）。 
• Show Heatmap - 使用此控件可快速移除热图，恢复 PCB 的标准显示。 
• Show Arrows of Current Direction - 启用此选项可显示小箭头，指示整个网络中的电流流向。
• Use Noise Suppression - 当计算出的电流接近零时，电流方向箭头会让人误以为该区域仍有电流流动，而实际上几乎没有。启用此选项可排除这些电流较小、可能产生误导的数值。
• Scope Controller - 用于表示强度或热度的网络颜色由 Scope Controller. 控制。Max 值默认为该网络中计算出的最大电流密度（显示图像），而 Min 默认为 0 A/mm²。此标尺在 PCB 下方显示为彩色条，反映当前的最小值和最大值设置、由所选标尺类型确定的刻度以及单位。您可以通过点击并拖动滑块，或在 Min 或 Max 字段中输入新值，来调整 Min 和 Max 的值。低于 Min 的计算值显示为蓝色，高于 Max 的值显示为红色。 
• Use Logarithmic Scale - 启用此选项可将标尺从线性切换为对数。对数标尺会使较高的数值集中在色标的 hot 端。例如，您可以启用对数标尺，快速定位承载较大电流的走线区段，然后切换到线性标尺，检查该走线区段内的电流密度分布。

对数电流密度热图显示了一个需要关注的区域；将光标悬停在图像上，可查看该区域在线性标尺下的显示效果。

电压降热图

• 整个网络均以颜色表示网络各处的 电压降，电压越高，颜色越暖（越红）。采用这种方式时，颜色越冷，电压越低（电压降越大）。 
• Show Heatmap - 使用此控件可快速移除热图并恢复 PCB 的标准显示。 
• Show Arrows of Current Direction - 启用后，显示指示 整个网络中电流流向的小箭头。
• Use Noise Suppression - 当计算出的电流接近零时，电流方向箭头会让人误以为该区域有电流流过，而实际上 几乎没有电流。启用此选项可排除这些电流较小、可能产生误导的数值。
• Scope Controller - 网络上用于表示强度或热度的颜色由 Scope Controller. 控制。Max 值默认为略低于该网络指定的最高电压，而 Min 值为 Max - calculated voltage drop （显示图片）。此标度以彩色条的形式显示在 PCB 下方，反映以下信息：以绝对值或百分比表示的电压降、 当前最小值和 最大值设置以及单位。可通过单击并拖动滑块手柄，或在 Min 或 Max 字段中输入新值，来调整 Min 和 Max 值。低于 Min 的计算值以蓝色显示，高于 Max 的值以红色显示。 
• Scale Type - 电压降标度既可以用伏特表示（单击  按钮），也可以用百分比表示 （单击  按钮）。
• Enable Visual Slider for Voltage Contour - 启用后，在热图上显示电压等于指定 电压等值点的位置，便于您快速识别这些位置。可通过拖动滑块，或在下方的 Voltage Contour Points 字段中输入数值来调整等值点的值。单击相应图标可添加 新点或删除现有点。

可配置等值点，以快速识别电路板上电压达到相应值的位置。

违规检测

如果仿真检测到以下违规：Voltage Drop、Current Density 或 Max Via Current，这些违规将列在 Power Analyzer by Keysight 面板的 Violations 部分中。单击面板中的违规项，即可交叉探查到 PCB 上发生该错误的具体位置。如果无法完整阅读违规描述，可将光标悬停在违规项的“描述”部分上 ，以显示包含全部详细信息的工具提示。

违规详情会自动列在 Power Analyzer by Keysight 面板的 Violations 部分中。将光标悬停在图片上可查看过孔电流违规。

探针

Power Analyzer by Keysight 面板的 “探针”部分用于直接在 PCB 上放置测量探针。探针可测量电流密度或电压降， 测量类型由电路板当前的热图模式决定。

探针可分为以下两种：

1. 单点 探针，用于测量探针位置处的绝对值；或
2. 差分探针，用于测量两个探针位置之间的差值。 

这两种探针均通过单击面板 Probes 区域中的  按钮来放置。要放置单点探针，请在所需位置单击 ，然后单击鼠标右键（或按 Esc）。要放置差分探针，请先单击一次以定义第一个探针位置，然后再次单击以定义第二个探针位置。定义探针后，测量结果将显示在面板中。

单击  按钮，可在最后单击的探针位置生成 PCB 图像。图像将显示在面板的 Image Captures 区域中，并带有 Probe 标记。 将光标悬停在截图上可显示探针详情（显示图片）。 

探针可测量电压或电流，测量结果可以是绝对值，也可以是两个位置之间的差值。将光标悬停在图片上可查看电流探针。

图像截取

Power Analyzer by Keysight 面板中的图像截取功能可用于截取所选网络的特定设计截图，然后将其包含在报告中。

要截取电路板特定区域的图像，请先在主设计空间中调整电路板视图，使要截取的元素可见。准备就绪后，单击面板 Image Captures 区域中的   按钮以截取屏幕图像。您可以继续更改电路板视图，并通过 Add 截取更多图像。要删除图像，请将光标悬停在图像上以显示  按钮，然后单击该按钮进行删除。

截取的图像不会随项目保存。要保存图像，请生成分析报告。

分析报告

要生成完整的分析报告，请单击分析器文档顶部的  按钮。完整报告为电源网络系统中的每个电源网络分别提供一个部分，如下图所示。 

在报告中，单击某个电源网络可查看其详细报告，包括：

• 全局配置设置
• 电路板层叠结构
• 各信号层的电流密度热图
• 各信号层的电压降热图
• 电源网络树状视图，其中突出显示所选网络。
• 所选网络的分析详情，包括：功耗； 裕量及通过/失败结果的详细信息；该网络中所有过孔性能的详细汇总；所有用户定义的屏幕截图。

自动识别要求

除了手动添加电源网络外，Power Analyzer by Keysight 还能够自动识别并添加电源网络，包括电源 和负载，从而缩短定义电源结构所需的时间。

自动定义设置

在开始自动识别之前，必须先配置算法参数，使其适合您的项目。这些参数在 Power Analyzer by Keysight 文档窗口的 Configuration 部分中的 Auto-Define Settings 区域进行配置。

不符合这些自动定义条件的元件将被视为普通负载。 您还可以为各个 原理图元件添加指定名称的参数，以定义该元件在电源系统中的类型和属性。这些参数可以在创建元件时作为元件的一部分指定，也可以稍后在原理图中添加。

元件参数

为确保正确识别，所有与电源相关的元件都应符合以下条件：

• 要自动检测电源元件，该元件应具有名为 Component Type、值为 Source 的参数。

• 如果未找到该参数，则将基于 Default Connectors Designators 进行搜索，这些内容在分析仪文档 (*.pdnaK) 的 Configuration 部分的 Auto-Define Settings 区域中定义。请注意，除非连接器作为扩展网络的一部分被引用，否则仅会定义具有电源连接的连接器。

• 电压调节模块 (VRM)：
  • 线性稳压器应具有名为 Component Type、值为 VRM 的参数。
  • 对于开关模式电源 (SMPS) 类型的 VRM 稳压器， Component Type 参数的值必须为 SMPS。
  • 如果 VRM 具有电压感测功能， Component Type 参数的值必须为 Sense。

• 如果未定义该参数， 则将基于分析仪文档的 Configuration 部分的 Auto-Define Settings 区域中定义的 VRM Keywords 进行搜索。默认情况下，这些关键字为：PWR、REG、Regulator、Voltage、Switch。

• 元件（负载）的电流消耗值应通过名为 Current Consumption 的参数定义。请注意该数值使用的小数分隔符，根据系统首选项设置，它可能是 . 或 ,。

参数同步

PCB 与原理图之间的所有参数必须保持同步。要检查这一点，可以在 PCB 上选择一个元件，并确认 Properties 面板的 Parameters 选项卡中存在电源分析参数。

设计要求

• 所有电源网络都应通过以下方式之一定义：
  • 使用 Power Port 对象，
  • 配置 Power Net 属性，使网络包含 Supply Net Parameter （如下所述），
  • 或对其命名，使其名称能够被 Name Mask 检测到（在分析仪文档的 Configuration 部分的 Auto-Define Settings 区域中定义）。
• 要使用 Name Mask 获取电压值，电源网络名称应符合 *V* 或 *.*V 格式，其中 * 为数值，如下图所示。

• 定义电源网络电压值的另一种方法是，配置该网络中任意导线在 Properties 面板中的 Power Net 属性。要启用此属性，首先需要在网络上放置一个参数集指令 (Place » Directives » Parameter Set) （将光标悬停在下图上可显示此过程的图像）。大小、颜色和标签由用户自行定义，只要存在该指令，即可启用该网络的 Power Net 属性。添加指令后，选择该网络中的一根导线，启用 Power Net 属性，并配置网络的 Voltage，如下所示。 

• 串联元件应符合为电阻、电感和自定义串联元件定义的位号规则（在分析仪文档的 Configuration 部分的 Auto-Define Settings 区域中定义）。

• VRM 应至少连接到两个电源网络。

Power Analyzer 命令

以下命令可从 Power Analyzer 编辑器的主菜单中访问。

Power Analyzer 的限制

现阶段，Power Analyzer by Keysight 不支持：

1. 负电压。
2. 嵌入式元件 （放置在内层上的元件）。了解有关 使用嵌入式元件设计 PCB的更多信息。