Power Analyzer by Keysight

Die praktische Leistungsfähigkeit eines PCB-Layouts hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, von denen viele sich mit einer Reihe von PCB-Design-Analysetools – wie der Post-Layout-Signal Integrity analysis – in angemessenem Maß vorhersagen lassen. Was jedoch häufig vernachlässigt oder einfach auf eine „Faustregel“-Methodik reduziert wird, ist die Entwicklung des effektivsten Layouts für die DC-Stromversorgungssysteme einer Leiterplatte. Gemeint ist die Beurteilung beim Entwurf der Kupferflächen einer Leiterplatte, die sowohl die DC-Versorgungsschienen für die Schaltung als auch deren Masse- bzw. gemeinsamen Rückstrompfad zur DC-Versorgungsquelle bereitstellen. Das gewünschte Ergebnis ist ein effizienter Entwurf, der die Integrität des DC-Power-Layouts des Designs aufrechterhält.

Bei modernen digitalen Designs mit Hochgeschwindigkeitsschaltungen, mehreren Bauteilen, dicht bestückten Leiterplatten und mehreren Versorgungsschienen rechtfertigen die Anforderungen an das DC-Stromverteilungsnetz eines Designs einen stärker analytischen Ansatz bei dessen Auslegung. Die DC-Analyse eines Power Delivery Network (PDN) bzw. die Ergebnisse seiner DC Power Integrity (PI-DC) zielen im Wesentlichen darauf ab sicherzustellen, dass auf dem Pfad von den Spannungsquellen zu den Lasten ausreichend Kupfer vorhanden ist – mit anderen Worten, dass die Flächen, Leiterbahnen und Vias auf der Leiterplatte ausreichend dimensioniert sind (und die passenden Eigenschaften besitzen), um den Leistungsanforderungen der Bauteile auf der Leiterplatte gerecht zu werden.

Glücklicherweise lässt sich das Rätselraten bei der Bewertung des Stromversorgungsnetzes einer PCB durch den Einsatz eines DC Power Integrity (PI-DC)-Simulationstools vermeiden, das die DC-Leistung eines Leiterplattendesigns auf Grundlage seiner elektrischen und physikalischen Eigenschaften analysiert und dem Entwickler hilft, kritische Designfragen zu beantworten, darunter:

• DC-Spannungs- und Stromdichteprobleme identifizieren und beheben.

• Interaktionen zwischen mehreren Netzwerken und Rückstrompfaden berechnen.

• Die Verteilung von Spannung und Stromdichte visualisieren und Hotspots im PCB-Editor identifizieren.

• Spannung, Stromdichte und Via-Strom an jeder Stelle auf der Leiterplatte untersuchen.

• Einen Bericht über die Ergebnisse der Analysesimulation erstellen.

Um direkt in der PCB-Designumgebung von Altium Designer eine DC Power Integrity-Analyse durchzuführen, ist die bevorzugte Lösung der Power Analyzer by Keysight.

Der Power Analyzer by Keysight, bereitgestellt von Keysight Technologies, integriert sich direkt in Altium Designer und ermöglicht so die PI-DC-Simulation und -Analyse des aktuellen PCB-Projekts. Anstatt sich auf einfache Berechnungen der Querschnittsfläche zu verlassen, um die Stromtragfähigkeit des Stromversorgungsnetzes zu bestimmen, modelliert der Power Analyzer zunächst die Kupferstrukturen präzise und berechnet anschließend die Spannungen und Ströme der Stromversorgung über die gesamte Leiterplatte. Da die Ergebnisse sowohl visuell als auch tabellarisch dargestellt werden, kann der Entwickler dieses Feedback nutzen und Leiterbahnbreiten, Kupferdicken und Via-Eigenschaften schnell anpassen, um sicherzustellen, dass die für sein Design erforderliche Integrität der DC-Stromversorgung erreicht wird.

Um in Altium eine Power-Integrity-Analyse durchzuführen, erstellt der Entwickler zunächst ein hierarchisches Netzwerk des gesamten Stromversorgungssystems und identifiziert dabei jedes Versorgungs- und Rückleitungsnetz, die Quellen und Lasten sowie alle in jedem Abschnitt des Stromversorgungsnetzes vorhandenen Serienelemente. Sobald das Netzwerk und die Konfigurationseinstellungen definiert wurden, kann der Power Analyzer das gesamte Netzwerk untersuchen.

Konfigurieren des Stromversorgungsnetzes

Der Power Analyzer untersucht den Energiefluss durch die Kupferpfade im Stromversorgungsnetz. Das Stromversorgungsnetz wird definiert, indem die verschiedenen Netzelemente identifiziert und konfiguriert werden, darunter das Netz, die Quelle, etwaige Serienkomponenten und die Lasten. So konfigurieren Sie das Stromversorgungsnetz:

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Ein Analysedokument zum Projekt hinzufügen Die Analyse wird in einem Power Analyzer by Keysight-Dokument (<ProjectName>.pdnaK) konfiguriert und ausgeführt. Die Board-Eigenschaften konfigurieren Der Power Analyzer muss die physikalischen Eigenschaften der Leiterplatte kennen, etwa die zulässige Stromdichte, die Kupferart, die Betriebstemperatur usw. Prüfen Sie, ob die im Abschnitt Configuration des analyzer Dokuments definierten Standardwerte für Ihr Design geeignet sind. Automatische Identifizierung von Power Nets Der Power Analyzer kann versuchen, die Power Nets automatisch zu identifizieren. Dazu muss er wissen, wie Schaltungselemente wie Spannungsregler, Steckverbinder und Serienkomponenten erkannt werden. Neben Hinweisen wie Präfixen in Bauteilkennzeichnungen können Sie bestimmten Komponenten auch Parameter hinzufügen, um den automatischen Erkennungsprozess zu verbessern. Erfahren Sie mehr über Configuring the Auto-Define Settings. Power Net(s) auswählen Klicken Sie auf  für die automatische Identifizierung von Power Nets oder auf  , um die Power Net(s) manuell auszuwählen. Erfahren Sie mehr über defining the Power Nets. Netz(e) erweitern Wenn das Power Net durch eine Serienkomponente wie eine Sicherung verläuft, erweitern Sie das Netz und identifizieren Sie die Serienkomponenten sowie verkettete Netze. Erfahren Sie mehr über extending a net. Quelle identifizieren und konfigurieren Jedes Power Net beginnt an einer Quelle, beispielsweise einem Steckverbinder. Aktivieren Sie die Quelle im Dialogfeld Add Source, und klicken Sie dann auf das Zahnradsymbol, um diese Quelle zu konfigurieren. Erfahren Sie mehr über identifying and configuring the Source. Lasten identifizieren Beginnen Sie mit den größten Stromverbrauchern, einschließlich der Voltage Regulator Modules (VRMs). Erfahren Sie mehr über identifying the Loads. Lasten und VRMs konfigurieren Klicken Sie auf das Zahnradsymbol, um das Dialogfeld Load Properties zu öffnen, und konfigurieren Sie jede Last. Wenn ein Gerät als Voltage Regulator Module (VRM) konfiguriert ist, wird in der Hierarchie automatisch ein untergeordnetes Stromversorgungsnetz erstellt, wobei dieses VRM als Quelle dient. Lasten in den untergeordneten Power Nets identifizieren Stellen Sie sicher, dass die wesentlichen Lastkomponenten in jedem Power Net enthalten sind. Stromversorgungsnetz bestätigen Klicken Sie auf die Schaltfläche , um zu bestätigen, dass das Stromversorgungsnetz testbereit ist. Bereit für die Analyse Prüfen Sie die Baumstruktur, um visuell zu bestätigen, dass jedes Stromversorgungsnetz vollständig ist. Um von einem Power Net zu einem anderen zu wechseln, klicken Sie auf den Link Power Analyzer by Keysight, um zum Power-Net-Dokument zurückzukehren, und wählen Sie die Baumstruktur für jedes Power Net aus. Wenn dies abgeschlossen ist, können Sie das Stromversorgungsnetz analysieren.

Analyse des Stromversorgungsnetzes

Sobald die Power Networks definiert wurden, können Sie die DC-Stromverteilung auf und durch die Leiterplatte analysieren.

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Die Kupferstrukturen analysieren Basierend auf den Konfigurationseinstellungen werden beim Klicken auf die Schaltfläche  die auf der Leiterplatte vorhandenen Kupferstrukturen analysiert und simuliert, um Stromflüsse und Spannungsabfälle zu bestimmen. Auf PCB anzeigen Eine Zusammenfassung der Analyseergebnisse für Voltage Drop, Current Density und Max Via Current wird als Teil der Power Net Definition im Dokument *.pdnaK angezeigt (oben hellblau hervorgehoben). Klicken Sie auf , um die Heatmaps für Stromdichte und Spannungsabfall zu untersuchen. Die farbige Heatmap-Ansicht wird im PCB-Editor geöffnet, und auch das Bedienfeld Power Analyzer by Keysight wird geöffnet, in dem Sie die Heatmap konfigurieren, etwaige Violations untersuchen und Mess-Probes platzieren können. Erfahren Sie mehr über Running an Analysis. Die Heatmaps untersuchen Die berechneten Stromflüsse und Spannungsabfälle werden direkt im PCB-Editor als Heatmaps angezeigt. Verwenden Sie die Layer-Registerkarten des PCB-Editors, um die Heatmap auf jeder Lage zu untersuchen, wechseln Sie mit den üblichen Tastenkürzeln 2 und 3 zwischen den 2D- und 3D-Ansichtsmodi der Leiterplatte, und klicken Sie im Bedienfeld Power Analyzer by Keysight auf die Schaltfläche Show Heatmap, um zwischen den Heatmaps der Leistungsanalyse und den Standard-Anzeigemodi des PCB zu wechseln. Die Analyseergebnisse untersuchen Im PCB-Editor wird das Ergebnis der Stromversorgungsnetzanalyse, das Sie gerade betrachten, über das Bedienfeld Power Analyzer by Keysight gesteuert. Wählen Sie oben im Bedienfeld das Stromversorgungsnetz/Netz aus, dessen Heatmap Sie anzeigen möchten. Beachten Sie, dass bei vorhandenen Regelverletzungen im Design standardmäßig Only nets with violations in der Dropdown-Liste enthalten ist; deaktivieren Sie diese Option, um alle Power Nets in die Liste aufzunehmen. Erfahren Sie mehr über das Power Analyzer by Keysight Panel. Zwischen Stromdichte und Spannungsabfall wechseln Die Heatmap zeigt entweder den Current Density durch das Kupfer oder den Voltage Drop über das Kupfer hinweg an. Verwenden Sie die Schaltflächen oben auf der Registerkarte Heatmap des Panels, um den gewünschten Modus auszuwählen. Eine Skala für die Heatmap wird unterhalb der Leiterplatte angezeigt und automatisch für den Strom von Zero bis Max Current Density bzw. für den Spannungsabfall von (Voltage - VDrop) bis Voltage skaliert. Richtungspfeile zur Anzeige des Stromflusses können in der Heatmap eingeblendet werden, und die Skala für Stromdichte oder Spannungsabfall kann angepasst werden. Erfahren Sie mehr über das Konfigurieren und Steuern der Anzeige der Heatmap. Untersuchen des Spannungsabfalls Die Positionen von Hotspots der Stromdichte lassen sich anhand ihrer Farbe auf der Heatmap direkt erkennen. Da der Spannungsabfall als Differenz zwischen Positionen berechnet wird, erfordert sein Verständnis eine tiefergehende Interpretation. Um kritische Stellen leichter zu identifizieren, verwenden Sie die Option Enable Visual Slider for Voltage Contour, um vordefinierte Konturlinien anzuzeigen, entweder als Spannung oder als Prozentsatz. Erfahren Sie mehr über die Heatmap für Spannungsabfall. Ergebnisse mit Sonden messen Um eine Messung direkt aus der Heatmap vorzunehmen, platzieren Sie eine Sonde. Platzieren Sie eine einzelne Sonde, um den absoluten Strom oder die absolute Spannung an dieser Stelle anzuzeigen, oder klicken Sie auf eine zweite Position, um die Differenz zwischen den beiden Sondenpunkten zu messen. Die Art der Messung (V oder I) wird durch den aktuellen Heatmap-Modus (Stromdichte oder Spannungsabfall) bestimmt. Beachten Sie, dass beim Messen am Mittelpunkt einer Durchkontaktierung immer die Stromdichte angezeigt wird. Erfahren Sie mehr über Sonden. Ergebnisse des Ground-Netzes untersuchen Standardmäßig ist das Ground-Netz von den Heatmap-Ergebnissen ausgeschlossen. Deaktivieren Sie das Kontrollkästchen Skip Ground im Abschnitt Configuration des Dokuments *.pdnaK, um es einzubeziehen. Wählen Sie anschließend das Netz GND in der Dropdown-Liste Network / Net oben im Panel Power Analysis by Keysight aus. Beachten Sie, dass die Heatmap Polygonstrukturen auf Signallagen unterstützt, das Verhalten einer Power-Plane-Lage jedoch nicht simuliert werden kann. Erfahren Sie mehr über die Konfigurationsoptionen.

Ergebnisse interpretieren und dokumentieren

Der Power Analyzer liefert detailliertes Feedback direkt im PCB-Editor. Über das Panel Power Analyzer by Keysight können Verstöße schnell untersucht, Messsonden platziert und Heatmaps als Bilder erfasst werden. Um detaillierte Informationen zur DC-Leistungsanalyse Ihrer Leiterplatte zu erhalten, kann ein Bericht erzeugt werden. Der detaillierte Bericht wird im Dokument pdnaK geöffnet, und von dort aus können Sie bevorzugte Abschnitte in einer HTML-Berichtsdatei speichern. Der Bericht kann entweder für ein einzelnes Power-Netz oder für das gesamte Power-Netzwerk erstellt werden.

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Arbeiten mit den interaktiven grafischen Ergebnissen Über das interaktive Panel Power Analyzer by Keysight können Sie Verstöße schnell identifizieren und untersuchen. Bericht erzeugen Um einen detaillierten Bericht zu erzeugen, klicken Sie im Dokument Power Analyzer by Keysight (<ProjectName>.pdnaK) auf die Schaltfläche . Alternativ kann für jedes einzelne Netz ein Bericht erzeugt werden, indem Sie auf die entsprechende Schaltfläche  klicken. Detaillierter Netzbericht – Parameter Der vollständige Bericht listet alle analysierten Power-Netze auf; klicken Sie auf einen Netznamen, um den detaillierten Bericht für dieses Netz zu öffnen. Die linke Seite des Netzberichts enthält: Den Namen des Power-Netzes (und aller Subnetze, falls es erweitert wurde) zusammen mit einem allgemeinen Status Pass / Fail.  Berechnete Parameter: Vdrop, Idensity und Ivia_max. Wenn einer der berechneten Parameter eine Warnung (orange Linie) oder einen Fehler (rote Linie) anzeigt, werden unterhalb der Parameter Vorschläge zur Behebung dieser Warnungen/Fehler angezeigt. Detaillierter Netzbericht – Ergebnisse Die rechte Seite des Berichts enthält einklappbare Abschnitte für: Global Settings – physikalische Eigenschaften der Leiterplatte, wie die zulässige Stromdichte, die Art des Kupfers, die Betriebstemperatur usw. Diese werden im Dokument pdnaK konfiguriert. Design Stackup – Anordnung der physikalischen Lagen, aus denen die Leiterplatte besteht, definiert im PCB-Layer Stack Manager. Heatmap for Current Density – zeigt für jede Lage der Leiterplatte die Verteilung des Stroms in diesem Netz im gesamten Kupfer an. Die Stromdichte wird durch Farbe dargestellt; je höher die Stromdichte, desto heißer die Farbe.  Heatmap for Voltage Drop – zeigt für jede Kupferlage der Leiterplatte den in diesem Netz vorhandenen Spannungsbereich an. Je höher die Spannung, desto heißer die Farbe (oder: je größer der Spannungsabfall, desto kälter die Farbe). System-Level Power Network Results – Baum aller in sämtlichen Power-Netzen konfigurierten Bauteile, wobei die Bauteile im ausgewählten Power-Netz hervorgehoben werden. Network Details – Detaillierter Bericht über die Ergebnisse der Analyse dieses Netzes; mehr dazu auf der nächsten Folie. Detaillierter Netzbericht – Netzwerkdetails Verwenden Sie den Abschnitt Network Details , um potenzielle Probleme im Design schnell zu identifizieren. Dieser Abschnitt listet auf: Power Net Members – grafische Darstellung von Sources und Loads im ausgewählten Power-Netz, wie im Dokument pdnaK definiert.  Power Consumption – vom ausgewählten Power-Netzwerk verbrauchte Leistung. Least Margins – die Margin ist die Differenz zwischen dem zulässigen Strom und dem berechneten Strom und gibt an, wie viel zusätzliche Stromtragfähigkeit noch verfügbar ist (die Margin). Least Margin kennzeichnet die Position der kleinsten Margin (oder des größten Fehlers bei einem negativen Ergebnis). Verwenden Sie das Ergebnis Least Margin, um schnell die Worst-Case-Ergebnisse für Non-Via Current Density und Via Current zu identifizieren, ausgedrückt als Absolute value (Allowed Current - Calculated Current) sowie auch als Percentage ((Allowed - Calculated) / Allowed * 100).  Ein Wert von null oder kleiner weist auf einen Fail hin. List of Violations – die Anzahl der auf der Leiterplatte vorhandenen Verstöße jedes Typs. Failed Via Summary – eine Liste der Via- und Through-Hole-Bauteilpads, deren Strom- oder Stromdichte-Ergebnisse eine Margin von null oder weniger ergeben. Die Ergebnisse können durch Klicken auf eine Spaltenüberschrift sortiert werden; klicken Sie ein zweites Mal, um in die andere Richtung zu sortieren. Halten Sie beim Klicken Shift gedrückt, um zusätzliche Spalten untergeordnet zu sortieren. Bericht speichern Um einen HTML-Bericht der Analysen zu erstellen, klicken Sie auf die Schaltfläche . Konfigurieren Sie im Dialog Save Report Settings die gewünschten Power-Networks und Data , die Sie einbeziehen möchten, und klicken Sie dann auf die Schaltfläche , um den Bericht als Satz von HTML-Dateien zu speichern. Der Bericht wird in einem mit Datum und Uhrzeit versehenen Ordner innerhalb des Projektordners erstellt, \PowerAnalyzerByKeysight_Output\HTMLReport\<ProjectName> [PDNA]_<Date>_<Time>. Suchen und öffnen Sie die Datei Report.html, um den Bericht in Ihrem Standardbrowser anzuzeigen.   Sondenergebnisse und Bildaufnahmen einbeziehen Bilder, die über die Schaltfläche im Panel Power Analyzer by Keysight erfasst wurden, werden automatisch am Ende des Abschnitts Network Details des HTML-Berichts eingefügt, zusammen mit allen Bildern von Probe-Ergebnissen, die mit der Schaltfläche gespeichert wurden.

Playlist – Arbeiten mit Power Analyzer by Keysight

Es braucht Zeit, den Umgang mit neuer Designsoftware zu erlernen. Wenn Sie am besten durch Zuschauen lernen, dann sehen Sie sich doch diese Video-Playlist an, in der einige der wichtigsten Funktionen von How to Work with Power Analyzer by Keysight demonstriert werden.