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 es necesario importar ni exportar datos manualmente, convertir datos ni ejecutar aplicaciones independientes: basta con iniciar PDN Analyzer desde el editor de esquemas o de PCB, configurar los parámetros de prueba deseados y ejecutar la simulación. Los resultados se presentan principalmente mediante el modelado 2D/3D de la distribución del cobre de la placa de circuito, lo que permite evaluarlos rápidamente y realizar pruebas exploratorias de tipo «qué pasaría si» sobre el diseño de la PCB.

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

Acceso a las funciones de PDN Analyzer

Para acceder a las funciones de PDN Analyzer en Altium Designer, debe estar instalada la extensión PDN Analyzer de software. Esta extensión se puede instalar o eliminar manualmente.

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

Para acceder a estas funciones, también debe tener una suscripción válida a PDN Analyzer.

Fundamentos de la integridad de potencia

En esencia, el problema de PI-DC (o «caída IR») es bastante sencillo: la resistencia de las geometrías de alimentación de la placa (pistas, polígonos, planos, etc.) consume potencia y provoca caídas de tensión, reduciendo la potencia y la tensión disponibles para las distintas cargas. Como cabe esperar, los problemas de caída IR se vuelven más complejos a medida que aumenta el número de cargas conectadas a la alimentación, debido a la interacción entre las rutas de cobre de alimentación y tierra.

Figura 1: Diagrama de bloques básico de las geometrías de alimentación y tierra, y de las cargas conectadas.

La figura 1 (arriba) muestra un diagrama de bloques sencillo de la fuente de alimentación de un circuito y de las geometrías de alimentación y tierra (pistas y planos) que suministran energía a las distintas cargas (memorias, microcontroladores, etc.).  Observe que todas las cargas están conectadas a las mismas geometrías de alimentación y tierra, y dependen de ellas para recibir sus tensiones de funcionamiento.  En general, tendemos a suponer que estas geometrías de alimentación y tierra tienen una resistencia de 0 Ω, lo cual no siempre es cierto, y esa suposición puede causar problemas.  Dado que a menudo circulan corrientes relativamente elevadas, incluso las resistencias pequeñas de las geometrías de alimentación y tierra pueden provocar un consumo de potencia (pérdidas) y caídas de tensión considerables.

Figura 2: Efectos de la «caída IR»

La figura 2 muestra un ejemplo de los problemas que pueden surgir si no se tiene debidamente en cuenta la resistencia de las geometrías de alimentación y tierra.  Aunque cada geometría tiene una resistencia relativamente pequeña de solo 0,25 Ω, han provocado que la tensión en la carga caiga de 5 V a 4,5 V.  El diseñador debe ser consciente de esta caída y asegurarse de que sea admisible, o modificar el diseño para reducirla, a fin de garantizar que el diseño final no falle en condiciones reales de uso.

Sin embargo, el problema parece fácil de resolver: basta con hacer que las geometrías de alimentación y tierra sean lo suficientemente cortas o grandes como para que su resistencia sea insignificante, utilizando la siguiente relación: R = ρ * L/A, donde:

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

En pocas palabras, si las geometrías de alimentación y tierra son cortas, gruesas y anchas, se minimizará su resistencia.

Sin embargo, la dificultad radica en que las geometrías demasiado grandes ocupan un espacio de enrutamiento valioso y pueden limitar el espacio disponible para las geometrías de otras tensiones.  Un diseño con geometrías de alimentación y tierra correctamente dimensionadas será más compacto y utilizará menos capas que uno que emplee arbitrariamente planos o pistas demasiado grandes.  El objetivo del análisis PI-DC es indicar al diseñador si las geometrías de alimentación y tierra de la placa son adecuadas, sin ser excesivamente grandes.

Otra consideración relacionada con la caída IR es el hecho de que la potencia consumida es I2R, por lo que un pequeño aumento de la corriente que atraviesa una resistencia provoca un gran aumento del consumo de potencia.  Esto puede manifestarse en forma de problemas térmicos: el diseño se calienta considerablemente porque las geometrías de alimentación o tierra no son lo suficientemente grandes para soportar la corriente que circula por ellas.  Al garantizar una caída IR muy pequeña en las geometrías de alimentación y tierra, se minimiza la potencia consumida en ellas.

En un caso extremo, si una geometría es lo suficientemente resistiva (muy estrecha y larga) y circula por ella una corriente suficientemente alta, se convierte básicamente en un «fusible»: el cobre se funde y el diseño falla, lo que puede generar una situación peligrosa.  La norma IPC-2152 sobre la capacidad de conducción de corriente de las PCB aborda este problema, pero parte de supuestos pesimistas (por ejemplo, que no hay cobre térmicamente conductor cerca que ayude a disipar el calor), y los diseñadores suelen aplicarla utilizando los supuestos más conservadores, como permitir únicamente un aumento mínimo de temperatura.  Aunque PI-DC no puede sustituir a la norma IPC-2152 como guía para las consideraciones térmicas, puede aportar información valiosa sobre cómo optimizar un diseño de forma segura mediante el estudio de las caídas de tensión y las densidades de corriente del sistema de distribución de energía.  Un diseño optimizado para obtener la menor densidad de corriente y la menor caída de tensión entre las fuentes y todas las cargas también generará menos calor y tendrá menos probabilidades de presentar problemas térmicos.

Otro aspecto que aborda el análisis PI-DC es el número de vías utilizadas para la distribución de energía.  El problema es muy similar al del dimensionamiento correcto de las geometrías de cobre: si no hay suficientes vías, se pierde tensión y se desperdicia potencia debido a la caída IR, pero si se utilizan demasiadas, se desperdicia un espacio de enrutamiento valioso.  En particular, si se utilizan demasiadas vías para una ruta de tensión determinada, estas atraviesan las geometrías de otras capas y reducen su sección transversal de cobre, lo que causa problemas para esas otras tensiones.  Al igual que ocurre con el dimensionamiento correcto de las geometrías, el análisis de la tensión en los puntos de carga permite determinar el tamaño o la cantidad adecuados de vías.

Por último, simular el diseño final exactamente tal como es físicamente ofrece una ventaja importante para garantizar su optimización.  La simulación PI-DC proporciona una comprobación final de que los conectores y reguladores están correctamente dimensionados, por ejemplo, si se han eliminado o añadido cargas durante el proceso de diseño.

Sin datos fiables sobre la caída de tensión en las distintas áreas de alimentación, áreas de masa y vías de una PCB, el diseñador se ve obligado a adoptar un enfoque conservador, utilizando áreas de plano y anchos de pista sobredimensionados, así como un número excesivo de vías, lo que ocupa un valioso espacio de diseño y aumenta el número de capas y las dimensiones del diseño.  Altium PDN Analyzer proporciona información precisa sobre la idoneidad de la distribución de alimentación de CC de un diseño de forma sencilla y fácil de usar, para que los diseñadores puedan crear diseños de distribución de alimentación lo más eficientes posible.

Los resultados no solo son adecuados para la verificación final del diseño, sino que también pueden utilizarse en las fases de planificación para definir de antemano una arquitectura de suministro de alimentación lo más eficiente posible.  PI-DC es una herramienta de gran valor para conseguir una red de distribución de alimentación lo más eficiente y robusta posible, y PDN Analyzer permite ejecutar ese proceso de simulación y análisis de forma sencilla, intuitiva y eficiente.

Además de 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 funcionamiento correcto de cada fuente de alimentación del diseño en cuanto a los niveles de tensión en régimen permanente, la estabilidad de la tensión y el calentamiento o los daños en las pistas.
• Mejora del trazado de la PCB: Proporciona información que puede aplicarse para aprovechar al máximo el espacio de la placa y permite identificar y corregir fácilmente las zonas problemáticas con alta densidad de corriente.
• Conocimiento: Ya no es necesario recurrir a reglas empíricas ni a cálculos aproximados al planificar el trazado de los recorridos de corriente de CC.

Simulación con PDN Analyzer

En su forma más básica, el trazado de una placa que se someterá a un análisis PI-DC podría constar de una fuente reguladora de tensión y su carga, con áreas de cobre de diversas formas y pistas de distintos anchos que las interconectan.

Ejemplo de circuito básico con una fuente de alimentación y una carga.

El trazado de PCB del circuito básico, con diversas áreas de cobre y pistas conectadas mediante capas y vías.

La interfaz del panel PDN Analyzer (Tools » PDN Analyzer) representa visualmente una red de circuito entre una fuente de alimentación y una carga que incorpora recorridos físicos de alimentación y masa, de forma similar a lo que se muestra en el circuito anterior y en el diagrama de bloques conceptual (Fig. 1). La aplicación extrae automáticamente toda la información física y eléctrica (lista de conexiones, dispositivos, geometrías de las capas, etc.) del diseño de PCB activo para proporcionar los datos al motor de simulación PI-DC.

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

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

Los resultados de la simulación de caída de tensión 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 los resultados de tensión (caída IR, imagen superior) o de densidad de corriente (imagen inferior) en 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.