Power Analyzer by Keysight

Les performances pratiques d’un routage de PCB dépendent d’une multitude de facteurs, dont beaucoup peuvent être prédits, dans une mesure raisonnable, à l’aide d’une gamme d’outils d’analyse de conception de PCB tels que l’analyse Signal Integrity analysis post-routage. Ce qui est souvent négligé, cependant, ou simplement relégué à une méthodologie de type « règle empirique », c’est le développement de la conception de routage la plus efficace pour les systèmes d’alimentation CC de la carte. Il s’agit du jugement appliqué à la conception des zones de cuivre de la carte qui fournissent à la fois les rails d’alimentation CC aux circuits et leur chemin de retour à la masse ou commun vers la source d’alimentation CC. Le résultat recherché est une conception efficace qui préserve l’intégrité du routage d’alimentation CC du design.

Avec les conceptions numériques modernes intégrant des circuits à haute vitesse, de multiples composants, des cartes à forte densité et plusieurs rails d’alimentation, les exigences imposées au réseau de distribution d’alimentation CC d’un design justifient une approche plus analytique de sa conception. L’analyse CC d’un Power Delivery Network (PDN), ou les résultats de son intégrité d’alimentation CC (PI-DC), vise essentiellement à garantir qu’une quantité suffisante de cuivre a été prévue sur le trajet entre les sources de tension et les charges — autrement dit, que les plans, pistes et vias de la carte sont de taille suffisante (et présentent les caractéristiques adéquates) pour répondre aux besoins de consommation électrique des composants présents sur la carte.

Heureusement, il est possible d’éliminer les approximations dans l’évaluation du réseau d’alimentation d’un PCB grâce à l’utilisation d’un outil de simulation d’intégrité d’alimentation CC (PI-DC), qui analyse les performances CC d’une carte en fonction de ses propriétés électriques et physiques et aide l’ingénieur à répondre à des questions de conception critiques, notamment :

• Identifier et résoudre les problèmes de tension CC et de densité de courant.

• Calculer les interactions entre réseaux multiples et chemins de retour.

• Visualiser la distribution de la tension et de la densité de courant et identifier les points chauds dans l’éditeur PCB.

• Examiner la tension, la densité de courant et le courant dans les vias à n’importe quel emplacement de la carte.

• Générer un rapport des résultats de simulation de l’analyse.

Pour effectuer une analyse d’intégrité d’alimentation CC directement dans l’environnement de conception PCB Altium Designer, la solution de référence est le Power Analyzer by Keysight.

Le Power Analyzer by Keysight, activé par Keysight Technologies, s’intègre directement à Altium Designer pour permettre la simulation et l’analyse PI-DC du projet PCB en cours. Plutôt que de s’appuyer sur de simples calculs de section transversale pour déterminer la capacité de transport de courant du réseau d’alimentation, le Power Analyzer modélise d’abord avec précision les structures en cuivre, puis calcule les tensions et courants d’alimentation sur l’ensemble du PCB. Avec des résultats présentés à la fois sous forme visuelle et tabulaire, l’ingénieur peut utiliser ce retour d’information et ajuster rapidement les largeurs de piste, les épaisseurs de cuivre et les propriétés des vias afin de garantir l’intégrité de l’alimentation CC requise pour son design.

Pour effectuer une analyse d’intégrité d’alimentation dans Altium, l’ingénieur crée d’abord un réseau hiérarchique de l’ensemble du système d’alimentation, en identifiant chaque net d’alimentation et de retour, les sources et charges, ainsi que tous les éléments en série présents dans chaque section du réseau d’alimentation. Une fois le réseau et les paramètres de configuration définis, le Power Analyzer peut examiner l’ensemble du réseau.

Configuration du réseau d’alimentation

Le Power Analyzer examine le flux d’énergie à travers les chemins en cuivre du réseau d’alimentation. Le réseau d’alimentation est défini en identifiant et en configurant les différents éléments du réseau, notamment le net, la source, les éventuels composants en série et les charges. Pour configurer le réseau d’alimentation :

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Ajouter un document d’analyse au projet L’analyse est configurée et exécutée à partir d’un document Power Analyzer by Keysight (<ProjectName>.pdnaK). Configurer les propriétés de la carte Le Power Analyzer doit connaître les propriétés physiques de la carte, telles que la densité de courant admissible, le type de cuivre, la température de fonctionnement, etc. Vérifiez que les valeurs par défaut définies dans la section Configuration du document analyzer conviennent à votre design. Identification automatique des nets d’alimentation Le Power Analyzer peut tenter d’identifier automatiquement les nets d’alimentation. Pour cela, il doit savoir comment identifier les éléments du circuit tels que les régulateurs de tension, les connecteurs et les composants en série. En plus d’utiliser des indices tels que les préfixes des désignateurs de composants, vous pouvez également ajouter des paramètres à certains composants pour améliorer le processus de détection automatique. En savoir plus sur Configuring the Auto-Define Settings. Choisir le ou les nets d’alimentation Cliquez sur  pour l’identification automatique des nets d’alimentation, ou cliquez sur  pour sélectionner manuellement le ou les nets d’alimentation. En savoir plus sur defining the Power Nets. Étendre le ou les nets Si le net d’alimentation passe par un composant en série tel qu’un fusible, étendez le net et identifiez les composants en série ainsi que les nets chaînés. En savoir plus sur extending a net. Identifier et configurer la source Chaque net d’alimentation commence à partir d’une source, telle qu’un connecteur. Activez la source dans la boîte de dialogue Add Source, puis cliquez sur l’icône d’engrenage pour configurer cette source. En savoir plus sur identifying and configuring the Source. Identifier les charges Commencez par les principaux consommateurs de courant, y compris les modules régulateurs de tension (VRM). En savoir plus sur identifying the Loads. Configurer les charges et les VRM Cliquez sur l’icône d’engrenage pour ouvrir la boîte de dialogue Load Properties, puis configurez chaque charge. Lorsqu’un composant est configuré comme Voltage Regulator Module (VRM), un réseau d’alimentation enfant est automatiquement créé dans la hiérarchie avec ce VRM comme source. Identifier les charges dans les nets d’alimentation enfants Assurez-vous que les principaux composants de charge sont inclus dans chaque net d’alimentation. Confirmer le réseau d’alimentation Cliquez sur le bouton pour confirmer que le réseau d’alimentation est prêt à être testé. Prêt pour l’analyse Vérifiez l’arborescence pour confirmer visuellement que chaque réseau d’alimentation est complet. Pour passer d’un net d’alimentation à un autre, cliquez sur le lien Power Analyzer by Keysight pour revenir au document du net d’alimentation, puis sélectionnez l’arborescence de chaque net d’alimentation. Une fois cela terminé, vous êtes prêt à analyser le réseau d’alimentation.

Analyse du réseau d’alimentation

Une fois les réseaux d’alimentation définis, vous êtes prêt à analyser la distribution de l’alimentation CC sur et à travers la carte.

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Analyser les structures en cuivre En fonction des paramètres de configuration, lorsque vous cliquez sur le bouton  , les structures en cuivre présentes sur la carte sont analysées et simulées afin de déterminer les flux de courant et les chutes de tension. Afficher sur le PCB Un résumé des résultats d’analyse Voltage Drop, Current Density et Max Via Current est affiché dans la Power Net Definition du document *.pdnaK (mis en évidence ci-dessus en bleu clair). Cliquez sur pour explorer les cartes thermiques de densité de courant et de chute de tension. La vue en carte thermique colorée s’ouvrira dans l’éditeur PCB et le panneau Power Analyzer by Keysight s’ouvrira également, où vous pourrez configurer le Heatmap, explorer les éventuels Violations et placer des Probes de mesure. En savoir plus sur Running an Analysis. Examiner les cartes thermiques Les flux de courant et les chutes de tension calculés sont affichés sous forme de cartes thermiques, directement dans l’éditeur PCB. Utilisez les onglets de couche de l’éditeur PCB pour examiner la carte thermique sur chaque couche, basculez entre les modes d’affichage PCB 2D et 3D avec les raccourcis standard 2 et 3, puis cliquez sur le bouton Show Heatmap dans le panneau Power Analyzer by Keysight pour basculer entre les cartes thermiques d’analyse d’alimentation et les modes d’affichage PCB standard. Explorer les résultats de l’analyse Dans l’éditeur PCB, le résultat d’analyse du réseau d’alimentation que vous examinez est contrôlé via le panneau Power Analyzer by Keysight. En haut du panneau, sélectionnez le réseau/net d’alimentation dont vous souhaitez afficher la carte thermique. Notez que si des violations sont présentes dans le design, l’option par défaut consiste à inclure Only nets with violations dans la liste déroulante; désactivez cette option pour inclure tous les nets d’alimentation dans la liste. En savoir plus sur le Power Analyzer by Keysight Panel. Basculer entre densité de courant et chute de tension La Heatmap affiche soit le Current Density à travers le cuivre, soit le Voltage Drop sur le cuivre ; utilisez les boutons en haut de l’onglet Heatmap du panneau pour sélectionner le mode requis. Une échelle de la Heatmap est affichée sous la carte, automatiquement mise à l’échelle pour le courant de Zero à Max Current Density, ou pour la chute de tension de (Voltage - VDrop) à Voltage. Des flèches directionnelles indiquant le flux de courant peuvent être affichées sur la Heatmap, et l’échelle de densité de courant ou de chute de tension peut être ajustée. Pour en savoir plus, consultez la configuration et le contrôle de l’affichage de la Heatmap. Explorer la chute de tension L’emplacement des points chauds de densité de courant peut être identifié directement par leur couleur sur la heatmap. Comme elle est calculée comme une différence entre des emplacements, la compréhension des chutes de tension nécessite une interprétation plus approfondie. Pour aider à identifier les emplacements critiques, utilisez l’option Enable Visual Slider for Voltage Contour pour afficher des lignes de contour prédéfinies, soit en tension, soit en pourcentage. Pour en savoir plus, consultez la Heatmap pour la chute de tension. Sonder les résultats Pour effectuer une mesure directement à partir de la Heatmap, placez une sonde. Placez une seule sonde pour afficher le courant ou la tension absolus à cet emplacement, ou cliquez sur un second emplacement pour mesurer la différence entre les deux points de sonde. Le type de mesure (V ou I) est déterminé par le mode actuel de la Heatmap (densité de courant ou chute de tension). Notez que sonder le point central d’un trou métallisé affichera toujours la densité de courant. Pour en savoir plus, consultez les sondes. Examiner les résultats du réseau de masse Par défaut, le réseau de masse est exclu des résultats de la Heatmap. Décochez la case Skip Ground dans la section Configuration du document *.pdnaK pour l’inclure, puis sélectionnez le réseau GND dans la liste déroulante Network / Net en haut du panneau Power Analysis by Keysight. Notez que la Heatmap prend en charge les structures polygonales sur les couches de signal, mais que le comportement d’une couche de plan d’alimentation ne peut pas être simulé. Pour en savoir plus, consultez les options de configuration.

Interpréter et consigner les résultats

Le Power Analyzer fournit un retour détaillé directement dans l’éditeur PCB. Depuis le panneau Power Analyzer by Keysight , les violations peuvent être examinées rapidement, des sondes de mesure peuvent être placées et des heatmaps peuvent être capturées sous forme d’images. Pour accéder à des informations détaillées sur l’analyse de puissance DC de votre carte, un rapport peut être généré. Le rapport détaillé s’ouvre dans le document pdnaK et, à partir de là, vous pouvez enregistrer les sections souhaitées dans un fichier de rapport HTML. Le rapport peut porter soit sur un réseau d’alimentation individuel, soit sur l’ensemble du réseau d’alimentation.

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Utilisation des résultats graphiques interactifs Depuis le panneau interactif Power Analyzer by Keysight, vous pouvez rapidement identifier et examiner les violations. Génération du rapport Pour générer un rapport détaillé, cliquez sur le bouton dans le document Power Analyzer by Keysight (<ProjectName>.pdnaK). Vous pouvez également générer un rapport pour n’importe quel réseau individuel en cliquant sur le bouton  approprié. Rapport détaillé du réseau - Paramètres Le rapport complet répertorie tous les réseaux d’alimentation qui ont été analysés ; cliquez sur un nom de réseau pour ouvrir le rapport détaillé correspondant. La partie gauche du rapport de réseau répertorie : Le nom du réseau d’alimentation (et de tous les sous-réseaux s’il a été étendu), ainsi qu’un état global Pass / Fail . Paramètres calculés : Vdrop, Idensity et Ivia_max. Si l’un des paramètres calculés affiche un avertissement (ligne orange) ou une erreur (ligne rouge), des suggestions pour résoudre ces avertissements/erreurs seront affichées sous les paramètres. Rapport détaillé du réseau - Résultats La partie droite du rapport comprend des sections repliables pour : Global Settings - propriétés physiques de la carte, telles que la densité de courant admissible, le type de cuivre, la température de fonctionnement, etc. Celles-ci sont configurées dans le document pdnaK. Design Stackup - agencement des couches physiques qui composent la carte, défini dans le Layer Stack Manager du PCB. Heatmap for Current Density - affiche la distribution du courant dans ce réseau à travers le cuivre pour chaque couche de la carte. La densité de courant est représentée par une couleur ; plus la densité de courant est élevée, plus la couleur est chaude.  Heatmap for Voltage Drop - affiche la plage de tensions présentes sur ce réseau pour chaque couche de cuivre de la carte. Plus la tension est élevée, plus la couleur est chaude (ou, plus la chute de tension est importante, plus la couleur est froide). System-Level Power Network Results - arborescence de tous les dispositifs configurés dans tous les réseaux d’alimentation, mettant en évidence les dispositifs du réseau d’alimentation choisi. Network Details - rapport détaillé des résultats de l’analyse de ce réseau ; plus d’informations à ce sujet dans la diapositive suivante. Rapport détaillé du réseau - Détails du réseau Utilisez la section Network Details pour identifier rapidement les problèmes potentiels dans la conception. Cette section répertorie : Power Net Members - représentation graphique du Sources et du Loads dans le réseau d’alimentation choisi, tels que définis dans le document pdnaK.  Power Consumption - puissance consommée par le réseau d’alimentation choisi. Least Margins - la marge est la différence entre le courant autorisé et le courant calculé, donnant une indication de la capacité supplémentaire de transport de courant disponible (la marge). La marge minimale identifie l’emplacement de la plus petite marge (ou de la défaillance la plus importante pour un résultat négatif). Utilisez le résultat de marge minimale pour identifier rapidement les résultats les plus défavorables pour le Non-Via Current Density et le Via Current, exprimés en Absolute value (Allowed Current - Calculated Current), et également en Percentage ((Allowed - Calculated) / Allowed * 100).  Une valeur nulle ou négative indique une Fail. List of Violations - le nombre de violations de chaque type présentes sur la carte. Failed Via Summary - une liste des vias et des pastilles de composants traversantes dont les résultats de courant ou de densité de courant renvoient une marge nulle ou inférieure. Les résultats peuvent être triés en cliquant sur un en-tête de colonne ; cliquez une seconde fois pour trier dans l’autre sens, maintenez Shift enfoncé tout en cliquant pour effectuer un tri secondaire sur des colonnes supplémentaires. Enregistrer le rapport Pour créer un rapport HTML des analyses, cliquez sur le bouton . Dans la boîte de dialogue Save Report Settings, configurez les Networks et Data de puissance requis que vous souhaitez inclure, puis cliquez sur le bouton pour enregistrer le rapport sous forme d’un ensemble de fichiers HTML. Le rapport est créé dans un dossier horodaté (date et heure) au sein du dossier du projet, \PowerAnalyzerByKeysight_Output\HTMLReport\<ProjectName> [PDNA]_<Date>_<Time>. Recherchez et ouvrez le fichier Report.html pour examiner le rapport dans votre navigateur par défaut.   Inclure les résultats des sondes et les captures d’image Les images capturées via le bouton dans le panneau Power Analyzer by Keysight sont automatiquement incluses à la fin de la section Network Details du rapport HTML, ainsi que toutes les images des résultats Probe enregistrées à l’aide du bouton .

Playlist - Comment utiliser Power Analyzer by Keysight

Il faut du temps pour apprendre à utiliser un nouveau logiciel de conception. Si vous apprenez mieux en regardant, pourquoi ne pas consulter cette playlist vidéo qui présente certaines des fonctionnalités clés de How to Work with Power Analyzer by Keysight.