PDN Analyzer (by CST)

PDN Analyzer powered by CST^® (Computer Simulation Technology) s’intègre directement à Altium Designer pour permettre la simulation et l’analyse PI-DC du projet PCB en cours. Comme le PDN Analyzer fonctionne au sein d’Altium Designer, il n’est pas nécessaire d’importer/exporter manuellement des données, d’effectuer des conversions de données ni d’exécuter des applications séparées : il suffit de lancer le PDN Analyzer depuis l’éditeur de schéma ou PCB, de définir les paramètres de test souhaités, puis d’exécuter la simulation. Les résultats sont principalement fournis sous forme de modélisation 2D/3D du routage cuivre de la carte, ce qui permet une évaluation rapide des résultats et la possibilité d’effectuer des tests exploratoires de type « et si ? » sur la conception du PCB.

L’interface PDN Analyzer présentée avec l’exemple de PCB Spirit Level d’Altium Designer, ainsi que les résultats d’une simulation PI-DC de chute de tension sur le retour du net GND de la couche Top pour l’alimentation VCCINT.

Accès aux fonctionnalités du PDN Analyzer

Pour accéder aux fonctionnalités du PDN Analyzer dans Altium Designer, l’extension logicielle PDN Analyzer software extension doit être installée. Cette extension peut être installée ou supprimée manuellement.

Pour plus d’informations sur la gestion des extensions, reportez-vous à la page Extending Your Installation (Altium Designer Develop, Altium Designer Agile, Altium Designer).

Pour accéder à cette fonctionnalité, vous devez également disposer d’un abonnement valide au PDN Analyzer.

Principes essentiels de l’intégrité de l’alimentation

En substance, le problème PI-DC (ou « chute IR ») est assez simple : la résistance présente dans les formes d’alimentation de la carte (pistes, polygones, plans, etc.) consomme de la puissance et provoque une chute de tension, au détriment des différentes charges. Comme on peut s’y attendre, les problèmes liés à l’IR deviennent plus complexes à mesure que le nombre de charges sur l’alimentation augmente, en raison des interactions dans les chemins cuivre d’alimentation et de masse.

Figure 1 : schéma bloc de base des formes d’alimentation et de masse, et des charges appliquées.

La figure 1 (ci-dessus) montre un schéma bloc simple de la source d’alimentation d’un circuit ainsi que de ses formes d’alimentation et de masse (pistes et plans) qui fournissent l’énergie aux différentes charges (mémoire, microcontrôleurs, etc.).  Notez que toutes les charges sont reliées aux mêmes formes d’alimentation et de masse, et dépendent de celles-ci pour fournir leur(s) tension(s) de fonctionnement.  En général, nous avons tendance à supposer que ces formes d’alimentation et de masse ont une résistance de 0 Ω, ce qui n’est pas nécessairement vrai, et cette hypothèse peut poser problème.  Comme des courants relativement élevés sont souvent en jeu, même de faibles résistances dans les formes d’alimentation et de masse peuvent entraîner une consommation de puissance (perte) importante et des chutes de tension significatives.

Figure 2 : effets de la « chute IR »

La figure 2 illustre un exemple des problèmes pouvant survenir si la résistance des formes d’alimentation et de masse n’est pas correctement prise en compte.  Bien que chaque forme présente une résistance relativement faible de seulement 0,25 Ω, elles ont provoqué une chute de la tension au niveau de la charge, de 5 V à 4,5 V.  Le concepteur doit être conscient de cette chute et s’assurer qu’elle peut être tolérée, ou modifier la conception pour la réduire, afin de garantir que la conception finale ne tombera pas en panne sur le terrain.

Le problème semble toutefois facile à résoudre : il suffit de rendre les formes d’alimentation et de masse suffisamment courtes ou suffisamment grandes pour représenter une résistance négligeable, en utilisant la relation suivante : R = ρ * L/A, où :

• R est la résistance totale d’une forme (piste ou plan)
• ρ est la résistivité du matériau utilisé pour la forme (généralement le cuivre, ρ ≈ 1.7µΩ-cm)
• L est la longueur de la forme
• A est la surface de section de la forme (largeur x épaisseur)

En termes simples, si vous rendez vos formes d’alimentation et de masse courtes, épaisses et larges, vous minimiserez leur résistance.

La difficulté, cependant, est que des formes trop grandes consomment un espace de routage précieux et peuvent limiter l’espace disponible pour d’autres formes de tension.  Une conception dont les formes d’alimentation et de masse sont correctement dimensionnées sera plus compacte et utilisera moins de couches qu’une conception qui emploie arbitrairement des plans ou des pistes excessivement grands.  L’objectif de l’analyse PI-DC est d’indiquer au concepteur que les formes d’alimentation et de masse de la carte sont adéquates, sans être excessivement grandes.

Une autre considération concernant la chute IR est le fait que la puissance consommée est I2R – ainsi, une faible augmentation du courant traversant une résistance entraîne une forte augmentation de la puissance consommée.  Cela peut se manifester par des problèmes thermiques, la conception chauffant de manière significative parce que les formes d’alimentation et/ou de masse ne sont pas assez grandes pour supporter le courant qui les traverse.  En garantissant une très faible chute IR dans les formes d’alimentation et de masse, la consommation de puissance dans ces formes est minimisée.

Dans les cas extrêmes, si une forme est suffisamment résistive (très étroite et longue) et qu’un courant suffisant la traverse, cette forme devient essentiellement un « fusible », faisant fondre la forme en cuivre et provoquant la défaillance de la conception – avec un risque potentiel de situation dangereuse.  La norme IPC-2152 relative à la capacité de transport de courant des PCB traite de cette question, mais avec des hypothèses pessimistes (par exemple, l’absence de cuivre thermiquement conducteur à proximité pour aider à dissiper la chaleur), et les concepteurs appliquent souvent cette spécification avec les hypothèses les plus conservatrices, comme n’autoriser qu’une élévation minimale de température.  Bien que PI-DC ne puisse pas remplacer la norme IPC-2152 comme guide pour les considérations thermiques, elle peut fournir des informations précieuses sur la manière dont une conception peut être optimisée en toute sécurité en étudiant les chutes de tension et les densités de courant du système de distribution d’alimentation.  Une conception optimisée pour la plus faible densité de courant et la plus faible chute de tension entre les sources et toutes les charges générera également moins de chaleur et présentera moins de risques de problèmes thermiques.

Un autre aspect traité par l’analyse PI-DC est le nombre de vias utilisés pour la distribution d’alimentation.  Le problème est assez similaire à celui du dimensionnement correct des formes en cuivre : s’il n’y a pas assez de vias, de la tension est perdue et de la puissance est gaspillée à cause de la chute IR, mais si trop de vias sont utilisés, un espace précieux de routage est gaspillé.  En particulier, si trop de vias sont utilisés pour un chemin de tension donné, ces vias traversent des formes sur d’autres couches et réduisent leur section de cuivre, ce qui provoque des problèmes pour ces autres tensions.  De la même manière que pour le dimensionnement correct des formes, l’analyse de la tension aux points de charge permet de déterminer correctement la taille et/ou le nombre de vias.

Enfin, il existe un avantage considérable à simuler la conception finale exactement telle qu’elle apparaît physiquement, afin de s’assurer qu’elle est optimisée.  La simulation PI-DC fournit une vérification finale permettant de confirmer que les connecteurs et les régulateurs sont correctement dimensionnés, au cas où des charges auraient été supprimées ou ajoutées au cours du processus de conception, par exemple.

En l’absence de données fiables sur la chute de tension à travers les différentes formes d’alimentation, formes de masse et vias d’un PCB, un concepteur est contraint d’être conservateur en utilisant des plans, des largeurs de piste et des vias excessifs, ce qui consomme un espace de conception précieux et augmente le nombre de couches ainsi que l’encombrement de la conception.  Le PDN Analyzer d’Altium fournit des informations précises sur l’adéquation de la distribution d’alimentation en courant continu d’une conception, de manière simple et directe, afin de permettre aux concepteurs de réaliser les conceptions de distribution d’alimentation les plus efficaces possible.

Non seulement les résultats conviennent à la vérification finale de la conception, mais ils peuvent également être utilisés dès les phases de planification d’une conception afin d’architecturer la distribution d’alimentation de la manière la plus efficace possible en amont.  PI-DC est un outil inestimable pour obtenir le réseau de distribution d’alimentation le plus efficace et le plus robuste possible ; le PDN Analyzer rend ce processus de simulation et d’analyse simple, intuitif et efficace.

Parmi ces avantages et d’autres encore que le PDN Analyzer apporte à vos conceptions de PCB, il offre également les bénéfices suivants :

• Fiabilité du produit : aide à garantir le bon fonctionnement des différentes alimentations au sein de la conception, en termes de niveaux de tension permanents, de stabilité de la tension et d’échauffement/détérioration des pistes.
• Amélioration du routage PCB : fournit des informations pouvant être appliquées pour utiliser l’espace de la carte de la manière la plus efficace, et permet d’identifier et de corriger facilement les zones problématiques à forte densité de courant.
• Connaissance : ne plus s’appuyer sur des règles empiriques ou des calculs approximatifs lors de l’étude du routage des chemins de courant continu.

Simulation avec le PDN Analyzer

Dans sa forme la plus élémentaire, un routage de carte soumis à une analyse PI-DC peut être composé d’une source de régulation de tension et de sa charge, avec des zones de cuivre d’interconnexion de formes variées et de différentes largeurs de piste.

Exemple de circuit de base avec une source d’alimentation et une charge.

Le routage PCB du circuit de base, avec une gamme de formes en cuivre et de pistes connectées par couches et vias.

L’interface du panneau PDN Analyzer (Tools » PDN Analyzer) émule visuellement un net de circuit allant d’une source d’alimentation à une charge, intégrant des chemins d’alimentation et de masse réels – comme illustré dans le circuit ci-dessus ainsi que dans le schéma bloc conceptuel (fig. 1). L’application extrait automatiquement toutes les informations physiques et électriques (netlist, composants, formes de couche, etc.) de la conception PCB actuellement active, lesquelles fournissent les données au moteur de simulation PI-DC.

L’interface du panneau PDN Analyzer  montrant une configuration de simulation PI pour le circuit de base et le routage de la carte.

Ici, la source de tension est la sortie de U1 (5 V entre les broches 3 et 2), et la charge est un courant spécifié à travers RL (0,1 A). Une fois les paramètres initiaux saisis via l’interface (tensions/courants de source et de charge, etc.) et la simulation exécutée, les données d’analyse résultantes sont modélisées graphiquement dans l’éditeur PCB sous forme d’image rendue en 2D ou 3D.

Les résultats de simulation de chute de tension pour le cuivre des nets PWR et GND de la carte (de U1 à RL, et de RL à U1).

La simulation PI de PDN Analyzer peut être configurée pour afficher les résultats de tension (chute IR, image ci-dessus) ou de densité de courant (image ci-dessous) pour toutes les couches applicables de la carte.

La carte de densité de courant pour les réseaux PWR et GND (de U1 à RL).

► Consultez le guide d’exemple de PDN Analyzer pour une description complète de l’utilisation de PDN Analyzer et de l’interprétation de ses résultats.