PDN Analyzer (by CST)

Le 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. Puisque PDN Analyzer fonctionne au sein d’Altium Designer, aucune importation/exportation manuelle de données, conversion de données ou exécution d’une application distincte n’est nécessaire : il suffit de lancer PDN Analyzer depuis l’éditeur de schémas ou de PCB, de définir les paramètres de test souhaités et d’exécuter la simulation. Les résultats sont principalement présentés sous forme de modélisation 2D/3D de la géométrie du cuivre du circuit imprimé, ce qui permet de les évaluer rapidement et d’effectuer des tests exploratoires de type « que se passerait-il si » sur le routage du PCB.

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

Accéder aux fonctionnalités de PDN Analyzer

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

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

Pour accéder à ces fonctionnalités, vous devez également disposer d’un abonnement valide à PDN Analyzer.

Les bases de l’intégrité de l’alimentation

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

Figure 1 : Schéma de principe des structures d’alimentation et de masse, et des charges raccordées.

La figure 1 (ci-dessus) présente un schéma de principe simple de la source d’alimentation d’un circuit et des structures d’alimentation et de masse (pistes et plans) qui acheminent l’alimentation vers les différentes charges (mémoires, microcontrôleurs, etc.).  Notez que toutes les charges sont raccordées aux mêmes structures d’alimentation et de masse, dont elles dépendent pour recevoir leurs tensions de fonctionnement.  En général, nous avons tendance à supposer que ces structures 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 les courants en jeu sont souvent relativement élevés, même de faibles résistances dans les structures d’alimentation et de masse peuvent entraîner une dissipation de puissance (pertes) et des chutes de tension importantes.

Figure 2 : Effets de la chute de tension IR

La figure 2 illustre un exemple de problèmes pouvant survenir lorsque la résistance des structures d’alimentation et de masse n’est pas correctement prise en compte.  Bien que chaque structure présente une résistance relativement faible de seulement 0,25 Ω, elles ont fait chuter la tension aux bornes de la charge de 5 V à 4,5 V.  Le concepteur doit avoir conscience de cette chute et s’assurer qu’elle est acceptable, ou modifier la conception pour la réduire, afin de garantir que le produit final ne tombera pas en panne en conditions réelles d’utilisation.

Le problème semble pourtant facile à résoudre : il suffit de rendre les structures d’alimentation et de masse suffisamment courtes ou de section suffisamment grande pour que leur résistance soit négligeable, en utilisant la relation suivante : R = ρ * L/A, où :

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

En termes simples, si vos structures d’alimentation et de masse sont courtes, épaisses et larges, vous réduirez leur résistance au minimum.

La difficulté, cependant, est que des structures surdimensionnées occupent un espace de routage précieux et peuvent limiter l’espace disponible pour les structures associées à d’autres tensions.  Une conception dont les structures d’alimentation et de masse sont correctement dimensionnées sera plus compacte et utilisera moins de couches qu’une conception employant arbitrairement des plans ou des pistes surdimensionnés.  L’objectif de l’analyse PI-DC est de confirmer au concepteur que les structures d’alimentation et de masse de la carte sont suffisamment dimensionnées, sans être excessives.

Un autre point à prendre en compte concernant la chute de tension IR est que la puissance dissipée est I2R : une faible augmentation du courant traversant une résistance entraîne donc une forte augmentation de la puissance dissipée.  Cela peut se traduire par des problèmes thermiques, la carte s’échauffant considérablement parce que les structures d’alimentation et/ou de masse ne sont pas suffisamment dimensionnées pour supporter le courant qui les traverse.  En veillant à ce que la chute de tension IR dans les structures d’alimentation et de masse soit très faible, on minimise la puissance qui y est dissipée.

Dans un cas extrême, si une structure est suffisamment résistive (très étroite et longue) et qu’un courant suffisamment élevé la traverse, elle devient en quelque sorte un « fusible » : le cuivre fond, ce qui provoque une défaillance de la carte et peut créer une situation dangereuse.  La norme IPC-2152 relative à la capacité de transport de courant des PCB traite de cette question, mais repose sur des hypothèses pessimistes (par exemple, l’absence de cuivre thermiquement conducteur à proximité pour faciliter l’évacuation de la chaleur). Les concepteurs appliquent souvent cette norme en retenant les hypothèses les plus prudentes, par exemple en n’autorisant qu’une élévation minimale de la température.  Bien que l’analyse PI-DC ne puisse pas remplacer la norme IPC-2152 comme référence pour les considérations thermiques, elle peut fournir des indications précieuses sur la manière d’optimiser une conception en toute sécurité, en étudiant les chutes de tension et les densités de courant du réseau de distribution de l’alimentation.  Une conception optimisée pour minimiser la densité de courant et la chute de tension entre les sources et toutes les charges produira également moins de chaleur et présentera moins de risques de problèmes thermiques.

L’analyse PI-DC traite également du nombre de vias utilisés pour distribuer l’alimentation.  Le problème est très similaire à celui du dimensionnement correct des structures en cuivre : si le nombre de vias est insuffisant, la chute de tension IR entraîne une perte de tension et une dissipation de puissance ; à l’inverse, un nombre excessif de vias gaspille un espace de routage précieux.  En particulier, si trop de vias sont utilisés pour un chemin associé à une tension donnée, ces vias traversent les structures des autres couches et réduisent leur section de cuivre, ce qui peut perturber l’acheminement des autres tensions.  Comme pour le dimensionnement correct des structures, l’analyse de la tension aux points de raccordement des charges permet de déterminer les dimensions et/ou le nombre de vias appropriés.

Enfin, simuler la conception finale telle qu’elle se présente physiquement offre un avantage considérable pour s’assurer qu’elle est optimisée.  La simulation PI-DC permet de vérifier une dernière fois que les connecteurs et les régulateurs sont correctement dimensionnés, notamment si des charges ont été supprimées ou ajoutées au cours du processus de conception.

En l’absence de données fiables sur la chute de tension dans les différentes zones de cuivre d’alimentation et de masse et les vias d’un PCB, le concepteur est contraint de prendre des marges de sécurité en surdimensionnant les plans et les pistes et en multipliant les vias. Cela occupe un espace précieux sur la carte et augmente le nombre de couches ainsi que l’encombrement de la conception.  Altium PDN Analyzer fournit, de manière simple et conviviale, des informations précises sur l’adéquation du réseau de distribution d’alimentation en courant continu d’une conception, afin de permettre aux concepteurs de créer les réseaux de distribution d’alimentation les plus efficaces possible.

Les résultats conviennent non seulement à la vérification finale de la conception, mais peuvent également être utilisés dès les phases de planification pour définir à l’avance une architecture de distribution d’alimentation aussi efficace que possible.  L’analyse PI-DC est un outil précieux pour obtenir un réseau de distribution d’alimentation aussi efficace et robuste que possible. PDN Analyzer rend ce processus de simulation et d’analyse simple, intuitif et efficace.

Outre ces avantages et les autres atouts qu’il apporte à vos conceptions de PCB, PDN Analyzer offre également les bénéfices suivants :

• Fiabilité du produit : contribue à garantir le bon fonctionnement de chaque alimentation de la conception, en ce qui concerne les niveaux de tension en régime établi, la stabilité de la tension ainsi que l’échauffement et l’endommagement des pistes.
• Amélioration de l’implantation du PCB : fournit des informations permettant d’optimiser l’utilisation de l’espace sur la carte et facilite l’identification et la correction des zones problématiques à forte densité de courant.
• Connaissance : ne vous fiez plus à des règles empiriques ou à des calculs approximatifs pour définir le tracé des chemins de courant continu.

Simulation avec PDN Analyzer

Dans sa forme la plus élémentaire, un circuit imprimé soumis à une analyse PI-DC peut comprendre une source constituée d’un régulateur de tension et sa charge, reliées par des zones de cuivre de formes variées et des pistes de différentes largeurs.

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

Implantation du PCB du circuit de base, avec différentes zones de cuivre et pistes réparties sur plusieurs couches et reliées par des vias.

L’interface du panneau PDN Analyzer (Tools » PDN Analyzer) représente visuellement un réseau reliant une source d’alimentation à une charge, avec des chemins physiques d’alimentation et de masse, à l’image du circuit ci-dessus et du schéma de principe (fig. 1). L’application extrait automatiquement toutes les informations physiques et électriques (netlist, composants, zones de cuivre des couches, etc.) de la conception de PCB active afin d’alimenter le moteur de simulation PI-DC.

L’interface du panneau PDN Analyzer  présentant une configuration de simulation PI pour le circuit de base et son implantation sur la carte.

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

Résultats de la simulation de chute de tension dans le cuivre des réseaux 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 ohmique, image ci-dessus) ou de densité de courant (image ci-dessous) pour toutes les couches concernées de la carte.

Cartographie de la 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.