PDN Analyzer (by CST)

El PDN Analyzer powered by CST^® (Computer Simulation Technology) se integra directamente con Altium Designer para permitir la simulación y el análisis PI-DC del proyecto de PCB actual. Dado que PDN Analyzer funciona dentro de Altium Designer, no hay requisitos de importación/exportación manual de datos, conversiones de datos ni aplicaciones independientes que ejecutar; simplemente inicie PDN Analyzer desde el editor de esquemas o de PCB, establezca los parámetros de prueba deseados y ejecute la simulación. Los resultados se presentan principalmente mediante el modelado 2D/3D de la disposición del cobre de la placa de circuito, lo que permite una evaluación rápida de los resultados y la posibilidad de realizar pruebas exploratorias de tipo “qué pasaría si” sobre el diseño del layout de la PCB.

La interfaz de PDN Analyzer mostrada con la PCB de ejemplo Spirit Level de Altium Designer, y los resultados de una simulación PI-DC de caída de voltaje de su retorno de red GND en la capa superior para la alimentación VCCINT.

Acceso a la funcionalidad de PDN Analyzer

Para acceder a la funcionalidad de PDN Analyzer en Altium Designer, la extensión de PDN Analyzer software debe estar instalada. Esta extensión puede instalarse o eliminarse manualmente.

Para obtener más información sobre la administración de extensiones, consulte la página Extending Your Installation (Altium Designer Develop, Altium Designer Agile, Altium Designer).

Para poder acceder a esta funcionalidad, también necesita tener una suscripción válida a PDN Analyzer.

Aspectos esenciales de la integridad de potencia

En esencia, el problema de PI-DC (o “caída IR”) es bastante sencillo: la resistencia presente en las formas de alimentación de la placa (trazas, polígonos, planos, etc.) consume potencia y voltaje, restándolos de las distintas cargas. Como es de esperar, los problemas de IR aumentarán en complejidad con el número de cargas en la alimentación, debido a la interacción en las rutas de cobre de potencia y tierra.

Figura 1: Un diagrama de bloques básico de las formas de potencia y tierra, y las cargas aplicadas.

La Figura 1 (arriba) muestra un diagrama de bloques simple de la fuente de alimentación de un circuito y sus formas de potencia y tierra (trazas y planos) que suministran energía a las distintas cargas (memorias, microcontroladores, etc.).  Tenga en cuenta que todas las cargas están conectadas a las mismas formas de potencia y tierra, y dependen de ellas para proporcionar su(s) voltaje(s) de funcionamiento.  En general, tendemos a asumir que esas formas de potencia y tierra tienen una resistencia de 0Ω, lo cual no es necesariamente cierto, y esa suposición puede causar problemas.  Dado que a menudo intervienen corrientes relativamente altas, incluso pequeñas resistencias en las formas de potencia y tierra pueden provocar un consumo de potencia (pérdida) significativo y caídas de voltaje.

Figura 2: Efectos de la “caída IR”

La Figura 2 demuestra un ejemplo de los problemas que pueden surgir si la resistencia de las formas de potencia y tierra no se considera adecuadamente.  Aunque cada forma tiene una resistencia relativamente pequeña de solo 0,25Ω, han hecho que el voltaje en la carga caiga de 5V a 4,5V.  El diseñador debe ser consciente de esta caída y asegurarse de que pueda tolerarse, o modificar el diseño para reducirla, con el fin de garantizar que el diseño final no falle en campo.

Sin embargo, el problema parece fácil de resolver: simplemente haga que las formas de potencia y tierra sean lo suficientemente cortas o grandes como para representar una resistencia insignificante, utilizando la siguiente relación: R = ρ * L/A, donde:

• R es la resistencia total de una forma (traza o plano)
• ρ es la resistividad del material utilizado para la forma (normalmente cobre, ρ ≈ 1.7µΩ-cm)
• L es la longitud de la forma
• A es el área de la sección transversal de la forma (ancho x espesor)

En pocas palabras, si hace que sus formas de potencia y tierra sean cortas, gruesas y anchas, minimizará su resistencia.

La dificultad, sin embargo, es que las formas excesivamente grandes consumen un valioso espacio de ruteo y pueden limitar la cantidad de espacio disponible para otras formas de voltaje.  Un diseño que tenga formas de potencia y tierra dimensionadas correctamente será más compacto y usará menos capas que uno que utilice arbitrariamente planos o trazas excesivamente grandes.  El propósito del análisis PI-DC es informar al diseñador de que las formas de potencia y tierra del diseño de la placa son adecuadas, pero no excesivamente grandes.

Otra consideración respecto a la caída IR es el hecho de que la cantidad de potencia consumida es I2R – por lo que un pequeño aumento de corriente a través de una resistencia provoca un gran aumento en el consumo de potencia.  Esto puede manifestarse como problemas térmicos en los que el diseño se calienta significativamente porque las formas de potencia y/o tierra no son lo suficientemente grandes para soportar la corriente que pasa por ellas.  Al garantizar una caída IR muy pequeña a través de las formas de potencia y tierra, se minimiza el consumo de potencia en esas formas.

En el extremo, si una forma es lo suficientemente resistiva (muy estrecha y larga) y circula suficiente corriente a través de ella, esa forma esencialmente se convierte en un “fusible”, derritiendo así la forma de cobre y haciendo que el diseño falle, además de presentar posiblemente una situación peligrosa.  La norma IPC-2152 para la capacidad de conducción de corriente en PCB aborda este problema, pero con supuestos pesimistas (por ejemplo, sin cobre térmicamente conductor cercano que ayude a disipar el calor) y los diseñadores suelen aplicar esa especificación utilizando los supuestos más conservadores, como permitir solo un aumento mínimo de temperatura.  Aunque PI-DC no puede reemplazar la norma IPC-2152 como guía para consideraciones térmicas, puede proporcionar información valiosa sobre cómo optimizar con seguridad un diseño mediante el estudio de las caídas de voltaje y las densidades de corriente del sistema de distribución de energía.  Un diseño optimizado para la menor densidad de corriente y caída de voltaje entre las fuentes y todas las cargas también generará menos calor y tendrá menos probabilidad de presentar problemas térmicos.

Otro aspecto que aborda el análisis PI-DC es la cantidad de vías utilizadas para la distribución de potencia.  El problema es bastante similar al de dimensionar correctamente las formas de cobre: si no hay suficientes vías, se pierde voltaje y se desperdicia potencia a través de la caída IR, pero si se usan demasiadas vías, se desperdicia un valioso espacio de ruteo.  En particular, si se usan demasiadas vías para una ruta de voltaje determinada, esas vías atraviesan formas de otras capas y reducen su sección transversal de cobre, causando así problemas para esos otros voltajes.  Del mismo modo que al dimensionar correctamente las formas, analizar el voltaje en los puntos de carga permite dimensionar y/o definir correctamente la cantidad de vías.

Por último, existe una ventaja significativa al simular el diseño final exactamente tal como aparece físicamente, para asegurar que esté optimizado.  La simulación PI-DC proporciona una comprobación final de que los conectores y reguladores están dimensionados adecuadamente, por ejemplo, en caso de que se hayan eliminado o añadido cargas durante el proceso de diseño.

En ausencia de datos fiables sobre la caída de voltaje a través de las distintas formas de potencia, formas de tierra y vías de una PCB, un diseñador se ve obligado a ser conservador utilizando formas de plano, tamaños de traza y vías excesivos, que consumen un valioso espacio de diseño y aumentan el número de capas y el factor de forma del diseño.  Altium PDN Analyzer proporciona información precisa sobre la idoneidad de la distribución de potencia en CC de un diseño de una manera fácil de usar y directa, para permitir a los diseñadores crear los diseños de distribución de potencia más eficientes posibles.

No solo los resultados son adecuados para la verificación final del diseño, sino que también pueden utilizarse en las etapas de planificación de un diseño para estructurar la distribución de potencia de la forma más eficiente posible por adelantado.  PI-DC es una herramienta invaluable para lograr la red de distribución de potencia más eficiente y robusta posible; PDN Analyzer hace que ejecutar ese proceso de simulación y análisis sea sencillo, intuitivo y eficiente.

Entre estas y otras ventajas que PDN Analyzer aporta a sus diseños de PCB, también ofrece los siguientes beneficios:

• Fiabilidad del producto: ayuda a garantizar el rendimiento correcto de las fuentes individuales dentro del diseño, en términos de niveles de voltaje en régimen permanente, estabilidad del voltaje y calentamiento/daño de las trazas.
• Mejora del layout de la PCB: proporciona información que puede aplicarse para crear el uso más eficaz del espacio de la placa y permite identificar y corregir fácilmente áreas problemáticas de alta densidad de corriente.
• Conocimiento: ya no dependa de reglas generales o cálculos aproximados al considerar el layout de las rutas de corriente continua.

Simulación de PDN Analyzer

En su forma más básica, un layout de placa que estará sujeto a análisis PI-DC podría componerse de una fuente de regulador de voltaje y su carga, con áreas de cobre de interconexión de distintas formas y anchos de pista.

Un ejemplo de circuito base de una fuente de alimentación y una carga.

El layout de PCB del circuito base, con una variedad de formas de cobre y trazas conectadas por capas y vías.

La interfaz del panel PDN Analyzer (Tools » PDN Analyzer) emula visualmente una red de circuito desde fuente de alimentación hasta carga que incorpora rutas reales de potencia y tierra, muy similar a lo mostrado en el circuito anterior y también en el diagrama de bloques conceptual (Fig. 1). La aplicación extrae automáticamente toda la información física y eléctrica (netlist, dispositivos y formas de capa, etc.) del diseño de PCB activo en ese momento, que proporciona los datos para el motor de simulación PI-DC.

La interfaz del panel PDN Analyzer  que muestra una configuración de simulación PI para el circuito básico y el layout de la placa.

Aquí, la fuente de voltaje es la salida de U1 (5V entre los pines 3 y 2), y la carga es una corriente especificada a través de RL (0,1A). Una vez introducidos los parámetros iniciales mediante la interfaz (voltajes y corrientes de fuente/carga, etc.) y ejecutada la simulación, los datos de análisis resultantes se modelan gráficamente en el editor de PCB como una imagen renderizada en 2D o 3D.

Los resultados de la simulación de caída de voltaje para el cobre de las redes PWR y GND de la placa (de U1 a RL, y de RL a U1).

La simulación de PI de PDN Analyzer puede configurarse para mostrar resultados de Voltaje (caída IR, imagen superior) o Densidad de Corriente (imagen inferior) para todas las capas aplicables de la placa.

El mapa de Densidad de Corriente para las redes PWR y GND (de U1 a RL).

► Consulte la guía de ejemplo de PDN Analyzer para obtener una descripción completa del uso de PDN Analyzer y de la interpretación de sus resultados.